vicerrectorado de investigaciÓn y transferencia de...
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VICERRECTORADO DE INVESTIGACIÓN Y
TRANSFERENCIA DE TECNOLOGIA
MAESTRÍA EN ENERGÍAS RENOVABLES
III PROMOCIÓN
TESIS DE GRADO MAESTRIA EN ENERGÍAS RENOVABLES
TEMA: “ESTUDIO Y SELECCIÓN DE UN FLUIDO TÉRMICO PARA
APLICACIONES DE LA ENERGIA SOLAR DE MEDIA TEMPERATURA
CON CONCENTRADORES PARABÓLICOS”
AUTORES: AGUILAR PARDO, ROBERTO EDUARDO
FERNÁNDEZ GUARNIZO, DIDIO GUSTAVO
DIRECTOR: ING. MSC. IBARRA JACOME, OSWALDO ALEXANDER
SANGOLQUÍ
2015
ii
CERTIFICACIÓN DEL DIRECTOR
El suscrito Ing. Oswaldo Alexander Ibarra Jácome MSc., con cedula de identidad
No. 1719535427, en calidad de Director de Tesis de la Maestría en Energías
Renovables,
CERTIFICA
Que el presente proyecto de grado que lleva como título, “ESTUDIO Y
SELECCIÓN DE UN FLUIDO TÉRMICO PARA APLICACIONES DE LA
ENERGIA SOLAR DE MEDIA TEMPERATURA CON
CONCENTRADORES PARABÓLICOS” realizado por los Ingenieros Roberto
Eduardo Aguilar Pardo, de nacionalidad ecuatoriana, con cédula de identidad No.
1712442282, y Didio Gustavo Fernández Guarnizo, de nacionalidad ecuatoriana, con
cédula de identidad No. 1103305346, como requisito para la obtención del título de
Magíster en Energías Renovables, III Promoción de la ESPE, fue desarrollada bajo
mi dirección y asesoría. La misma que cumple con los requerimientos científicos,
tecnológicos y académicos, razón por la cual autorizo su presentación y defensa.
Sangolquí, 19 de mayo de 2015
________________________________
ING. OSWALDO ALEXANDER IBARRA JACOME., MSc.
DIRECTOR
iii
DECLARACIÓN DE RESPONSABILIDAD
ROBERTO EDUARDO AGUILAR PARDO,
DIDIO GUSTAVO FERNANDEZ GUARNIZO
DECLARAN QUE:
El proyecto de posgrado denominado “ESTUDIO Y SELECCIÓN DE UN
FLUIDO TÉRMICO PARA APLICACIONES DE LA ENERGIA SOLAR DE
MEDIA TEMPERATURA CON CONCENTRADORES PARABÓLICOS”, ha
sido desarrollado con base a una investigación exhaustiva, respetando derechos
intelectuales de terceros, conforme las citas que constan al pie de las páginas
correspondientes, cuyas fuentes se incorporan en la bibliografía.
Consecuentemente este trabajo es de nuestra autoría.
En virtud de esta declaración, nos responsabilizamos del contenido, veracidad y
alcance científico del proyecto de grado en mención.
Sangolquí, 19 de mayo de 2015
_______________________________ ________________________________
ING. ROBERTO E. AGUILAR P. ING. DIDIO G. FERNANDEZ G.
AUTORES
iv
AUTORIZACIÓN
Nosotros,
ROBERTO EDUARDO AGUILAR PARDO,
DIDIO GUSTAVO FERNANDEZ GUARNIZO
Autorizamos a la Universidad de las Fuerzas Armadas – ESPE, la publicación, en la
biblioteca virtual de la Institución, el trabajo titulado “ESTUDIO Y SELECCIÓN
DE UN FLUIDO TÉRMICO PARA APLICACIONES DE LA ENERGIA
SOLAR DE MEDIA TEMPERATURA CON CONCENTRADORES
PARABÓLICOS”, cuyo contenido, ideas y criterios son de nuestra exclusiva
responsabilidad y autoría.
Sangolquí, 19 de mayo de 2015
________________________________ ________________________________
ING. ROBERTO E. AGUILAR P. ING. DIDIO G. FERNANDEZ G.
AUTORES
v
DEDICATORIA
A Dios y a la Virgen Santísima,
a mis Padres y hermanos por su inmenso amor y dedicación.
A mi esposa, por su paciencia.
Roberto Aguilar
Mayo, 2015
Este Trabajo lo dedico a Dios, que es la fuerza que me impulsa todos los días.
A mi esposa Claudia, que representa la fortaleza que sostiene.
A mis hijos Nicole, Camilita y Pablito, mi alegría diaria
A mis padres Didio y Judith, que siempre me brindan su apoyo incondicional.
Didio Fernández
Mayo, 2015
vi
AGRADECIMIENTOS
A Dios,
A la Escuela de las Fuerzas Armadas,
A Alex Ibarra y José Guasumba.
Roberto Aguilar
Didio Fernández
Mayo, 2015
vii
INDICE DE CONTENIDO
CERTIFICACIÓN ................................................................................................................... ii
DECLARACIÓN .................................................................................................................... iii
AUTORIZACIÓN .................................................................................................................. iv
DEDICATORIA ...................................................................................................................... v
AGRADECIMIENTOS .......................................................................................................... vi
INDICE DE CONTENIDO ................................................................................................... vii
INDICE DE FIGURAS ............................................................................................................ x
INDICE DE TABLAS .......................................................................................................... xiii
RESUMEN ........................................................................................................................... xvi
ABSTRACT ......................................................................................................................... xvii
CAPÍTULO 1 ......................................................................................................................... 1
GENERALIDADES ............................................................................................................... 1
1.1 ANTECEDENTES ............................................................................................................... 1
1.2 DEFINICIÓN DEL PROBLEMA ..................................................................................... 2
1.3 OBJETIVOS ........................................................................................................................ 3
1.3.1 GENERAL .......................................................................................................... 3
1.3.2 ESPECÍFICOS .................................................................................................... 4
1.4 ALCANCE ........................................................................................................................... 4
1.5 JUSTIFICACIÓN E IMPORTANCIA DE LA INVESTIGACIÓN. ........................... 4
CAPÍTULO 2 ......................................................................................................................... 5
MARCO TEÓRICO .............................................................................................................. 5
2.1 RADIACIÓN SOLAR ........................................................................................................ 5
2.2 APROVECHAMIENTO SOLAR ..................................................................................... 6
2.2.1 SISTEMAS PASIVOS ........................................................................................ 6
2.2.2 SISTEMAS ACTIVOS ....................................................................................... 7
2.3 EN FUNCION DEL INDICE DE CONCENTRACION ............................................... 7
2.4 EN FUNCIÓN DE LA TEMPERATURA DEL FLUIDO .......................................... 12
2.5 EN FUNCIÓN DEL TIPO DE FLUIDO ....................................................................... 12
2.5.1 EN CCP ............................................................................................................. 13
2.5.2 SISTEMA DE RECEPTOR CENTRAL CON CAMPO DE
HELIOSTATOS ................................................................................................ 13
2.5.3 SISTEMAS DE DISCO PARABÓLICO .......................................................... 13
viii
2.6 COLECTORES CILINDRO PARABÓLICOS CCP ................................................... 14
2.6.1 COMPONENTES ............................................................................................. 15
2.7 EXPERIENCIAS DE PLANTAS TERMOSOLARES CON CCP INSTALADAS
A NIVEL MUNDIAL ....................................................................................................... 20
CAPÍTULO 3 ....................................................................................................................... 31
FLUIDOS TÉRMICOS ....................................................................................................... 31
3.1 AGUA ................................................................................................................................. 31
3.2 ACEITE TÉRMICO.......................................................................................................... 32
3.2.1 ACEITES MINERALES ................................................................................... 32
3.2.2 ACEITES SINTÉTICOS ................................................................................... 39
3.3 SALES FUNDIDAS ......................................................................................................... 47
3.4 SODIO LÍQUIDO ............................................................................................................. 49
3.5 AGUA – VAPOR .............................................................................................................. 49
3.6 GASES A PRESION ........................................................................................................ 51
3.7 ANÁLISIS COMPARATIVO ENTRE FLUIDOS ...................................................... 51
3.7.1 FLUIDO TÉRMICO EN COMPARACIÓN CON EL AGUA ......................... 51
3.7.2 ACEITE SINTÉTICO EN COMPARACIÓN CON EL ACEITE
MINERAL ..................................................................................................... …52
3.7.3 ACEITE SINTÉTICO EN COMPARACIÓN CON OTROS FLUIDOS ......... 53
3.7.4 AGUA – VAPOR EN COMPARACIÓN CON FLUIDO TÉRMICO ............ 53
3.8 SELECCIÓN DEL ACEITE TÉRMICO ....................................................................... 54
3.9 ACEITES VEGETALES COMO ALTERNATIVA AL FLUIDO DE TRABAJO 56
CAPÍTULO 4 ....................................................................................................................... 57
ANÁLISIS DE RESULTADOS CON ACEITES VEGETALES COMESTIBLES ...... 57
4.1 PROTOTIPO PARA REALIZACIÓN DE PRUEBAS ............................................... 58
4.2 PROCEDIMIENTO PARA ANÁLISIS DE TEMPERATURA Y PRESIÓN ......... 60
4.3 RESULTADOS OBTENIDOS DEL ANÁLISIS DE CALENTAMIENTO ............ 61
4.3.1 ACEITE MARCA “SABROSÓN” ................................................................... 62
4.3.2 ACEITE DE GIRASOL .................................................................................... 67
4.3.3 ACEITE VIVI SOYA ....................................................................................... 72
4.3.4 ACEITE TEGRA ISO 68 .................................................................................. 77
4.4 CARACTERIZACIÓN DE RESULTADOS ................................................................ 79
4.5 ENSAYOS REALIZADOS EN LABORATORIO ...................................................... 82
4.6 PROCEDIMIENTO REALIZADO EN LABORATORIO ......................................... 83
4.7 RESULTADOS OBTENIDOS EN LABORATORIO ................................................ 85
ix
CAPÍTULO 5 ....................................................................................................................... 90
DIMENSIONAMIENTO DEL SISTEMA HIDRÁULICO ............................................. 90
5.1 BOMBA DE RECIRCULACIÓN .................................................................................. 92
5.1.1 VELOCIDAD DEL FLUIDO, CAUDAL Y NÚMERO DE REYNOLDS ...... 93
5.1.2 PÉRDIDAS DE CARGA EN ACCESORIOS, TUBERÍAS Y EN
INTERCAMBIADOR: ...................................................................................... 96
5.2 CÁLCULO BOMBA DE ALIMENTACIÓN: ........................................................... 104
5.3 DIMENSIONAMIENTO DEL TANQUE DE EXPANSIÓN .................................. 106
CAPÍTULO 6 ..................................................................................................................... 112
ANÁLISIS ECONÓMICO DE COSTOS DE LA INVESTIGACIÓN ......................... 112
6.1 CONSTRUCCIÓN DE PROTOTIPO PARA CALENTAMIENTO DE
MUESTRAS .................................................................................................................... 112
6.1.1 SISTEMA DE MEDICIÓN Y AUXILIARES ................................................ 113
6.2 COSTOS DE LOS ENSAYOS EXPERIMENTALES .............................................. 114
6.3 COSTOS DE LOS ENSAYOS EN LABORATORIO .............................................. 115
6.4 COSTOS VARIOS .......................................................................................................... 116
CAPÍTULO 7 ..................................................................................................................... 118
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ............................................................... 118
7.1 CONCLUSIONES ............................................................................................................... 118
7.2 RECOMENDACIONES ..................................................................................................... 119
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS: ............................................................................ 121
ANEXOS ............................................................................................................................. 124
ANEXO 1TEXATHERM 46 ............................................................................................... 125
ANEXO 2 SHELL THERMIA ............................................................................................ 129
ANEXO 3 MOBILTHERM 600 .......................................................................................... 133
ANEXO 4 THERMINOL VP-1 ........................................................................................... 135
ANEXO 5 SYLTHERM 800 ............................................................................................... 140
ANEXO 6 DOWTHERM A ................................................................................................ 142
ANEXO 7 TEGRA SYNTHETIC ....................................................................................... 144
x
INDICE DE FIGURAS
Figura1. Clasificación de los sistemas solares térmicos en función de la
concentración. .............................................................................................. 8
Figura 2. Concentrador Tipo Cilindro Parabólico....................................................... 9
Figura 3. Colector demostración Fresnel lineal MAN, en la plataforma Solar de
Almería (PSA). ............................................................................................ 9
Figura 4. Sistema de Receptor central....................................................................... 10
Figura 5. Concentrador Tipo Disco Parabólico......................................................... 10
Figura 6. Principio de funcionamiento y componentes de un CCP. ......................... 14
Figura 7. Sección transversal de la estructura del diseño LS-2 y LS-3..................... 15
Figura 8. Colector de Sener en la Planta Andasol-1. ................................................ 16
Figura 9. Componentes del Tubo Receptor............................................................... 17
Figura 10. Diferentes tipos de mecanismos de accionamiento. ................................ 18
Figura 11. Componentes del Tubo Receptor............................................................. 19
Figura 12. Componentes del concentrador cilindro parabólico. ............................... 19
Figura 13. Una de las centrales SEGS en el desierto de Mojave en California. ....... 21
Figura 14. Planta Solar Andasol 1............................................................................. 23
Figura 15. Plantas Solares Andasol 1 y 2. ................................................................. 23
Figura 16. Planta Solar Puerto Llano. ....................................................................... 24
Figura 17. Planta Solar Nevada Solar One................................................................. 25
Figura 18. Planta Solar Solnova. ................................................................................ 26
Figura 19. Plantas Solares Helioenergy 1 y 2. ........................................................... 26
Figura 20. Planta Solar El Carpio. ............................................................................. 27
Figura 21. Plantas Solares Helios 1 y 2...................................................................... 28
Figura 22. Plantas Solares Solaben 2, 3, 1, 6. ............................................................ 28
Figura 23. Planta Gas - Solar Hassi R´Mel. ............................................................... 29
Figura 24. Planta Solar Shamn-1. .............................................................................. 30
Figura 25. Planta Solar Solana. .................................................................................. 30
Figura 26. Variación de la densidad del Shell Thermia B y del Texatherm 46 con
la temperatura .......................................................................................... 38
xi
Figura 27. Variación del calor específico del Shell Thermia B y del Texatherm 46
con la temperatura. .................................................................................... 38
Figura 28. Variación de la conductividad térmica del Shell Thermia B y del
Texatherm 46 con la temperatura. ........................................................... 39
Figura 29. Variación de la densidad con la temperatura. ........................................... 45
Figura 30. Variación del calor específico con la temperatura. ................................... 45
Figura 31. Variación de la conductividad térmica con la temperatura. ..................... 46
Figura 32. Variación de la viscosidad con la temperatura. ........................................ 46
Figura 33. Propiedades físicas de la sal fundida Hitec XL, junto con las del aceite
Therminol VP1 – Calor Específico. ........................................................ 48
Figura 34. Propiedades físicas de la sal fundida Hitec XL, junto con las del aceite
Therminol VP1 - Densidad ..................................................................... 48
Figura 35Propiedades físicas de la sal fundida Hitec XL, junto con las del aceite
Therminol VP1 – Conductividad térmica. .............................................. 49
Figura 36. Bosquejo de equipo calentador de muestras de aceite. ............................. 59
Figura 37. Equipo construido para el calentamiento de aceite................................... 60
Figura 38. Presentación en funda de ½ litro de aceite “Sabrosón”. ........................... 62
Figura 39. Variación de la presión debido al aumento de temperatura en el aceite
marca “Sabrosón”. ................................................................................... 66
Figura 40. Aceite sabrosón antes y después del calentamiento. ................................ 66
Figura 41. Aceite Girasol. .......................................................................................... 67
Figura 42. Variación de la presión debido al aumento de temperatura en el aceite
de Girasol. ............................................................................................... 71
Figura 43. Aceite Girasol antes y después del calentamiento. ................................... 71
Figura 44. Aceite Vivi soya. ...................................................................................... 72
Figura 45. Variación de la presión debido al aumento de temperatura en el aceite
de Vivi Soya. ........................................................................................... 76
Figura 46. Aceite Vivi Soya antes y después del calentamiento. ............................... 76
Figura 47. Variación de la presión debido al aumento de temperatura en el aceite
Tegra 68................................................................................................... 78
Figura 48. Aceite Tegra 68 antes y después del calentamiento. ................................ 79
xii
Figura 49. Variación de la presión vs temperatura de los tres aceites comestibles
y un aceite sintético en el primer mes de calentamiento. ........................ 80
Figura 50. Variación de la presión vs temperatura de los tres aceites comestibles
y un aceite sintético en el segundo mes de calentamiento. ..................... 81
Figura 51. Ecuaciones polinómicas de los aceites sabrosón y girasol. ...................... 82
Figura 52. Equipos de laboratorio .............................................................................. 84
Figura 53. Pesaje de muestra de aceite a ser calentada. ............................................. 85
Figura 54. Relación Temperatura - densidad del aceite sabrosón .............................. 87
Figura 55. Relación 1/T versus viscosidad del aceite ................................................ 88
Figura 56. Prototipo de central termo solar, ubicado en la terraza del laboratorio
de energías renovables de la ESPE – Sangolquí. .................................... 90
Figura 57. Dimensiones y distribución de los 18 CCP del prototipo de central
termo solar. .............................................................................................. 91
Figura 58. Dimensiones del campo solar por tramos ................................................. 96
Figura 59. Diagrama de Moody: Factor de fricción f para tuberia de 25.4 mm a
150°C. ...................................................................................................... 97
Figura 60. Diagrama de Moody: Factor de fricción f para tubería de 32mm a
temperatura de 150°C .............................................................................. 98
Figura 61. Nomogramas de la longitud equivalente de elementos singulares ......... 102
Figura 62. Selección de la bomba considerando la curva de rendimiento. .............. 106
Figura 63 Dimensiones del intercambiador de calor. .............................................. 110
Figura 64. Dimensiones de tanque de expansión. .................................................... 111
Figura 65. Cilindro para calentamiento de muestras de aceite................................. 113
xiii
INDICE DE TABLAS
Tabla 1 Características principales de las diferentes centrales termo solares ............ 11
Tabla 2 Características básicas de las plantas SEGS-I a SEGS-IX ........................... 22
Tabla 3 Características típicas del aceite Texatherm 46 ............................................ 35
Tabla 4 Propiedades físicas y térmicas versus temperatura ....................................... 35
Tabla 5 Propiedades físicas y térmicas versus temperatura (SI Unidades) ................ 35
Tabla 6 Características típicas del aceite Shell Thermia B ........................................ 36
Tabla 7 Propiedades físicas y térmicas versus temperatura ....................................... 36
Tabla 8 Propiedades físicas y térmicas versus temperatura (SI Unidades) ................ 37
Tabla 9 Características típicas del aceite Mobiltherm 605 ........................................ 37
Tabla 10 Características típicas del aceite Therminol VP-1 ...................................... 42
Tabla 11 Propiedades físicas y térmicas versus temperatura, fase líquida ................ 42
Tabla 12 Características típicas del aceite Syltherm 800 ........................................... 43
Tabla 13 Propiedades físicas y térmicas versus temperatura, fase líquida ................ 43
Tabla 14 Características típicas del aceite Dowtherm A ........................................... 44
Tabla 15 Propiedades físicas y térmicas versus temperatura, fase líquida ................ 44
Tabla 16 Comparación de diversos fluidos de trabajo alternativos al aceite
térmico ....................................................................................................... 53
Tabla 17 Productores de aceites de cocina ................................................................. 58
Tabla 18 Presión a diferentes temperaturas del aceite sabrosón, primer mes de
calentamiento ............................................................................................. 63
Tabla 19 Presión a diferentes temperaturas del aceite sabrosón, segundo mes de
calentamiento ............................................................................................. 64
Tabla 20 Promedio de Presión a diferentes temperaturas del aceite sabrosón,
primer mes de calentamiento ..................................................................... 65
Tabla 21 Promedio de presión a diferentes temperaturas del aceite sabrosón,
segundo mes de calentamiento .................................................................. 65
Tabla 22 Presión a diferentes temperaturas del aceite Girasol, primer mes de
calentamiento ............................................................................................. 68
Tabla 23 Presión a diferentes temperaturas del aceite Girasol, segundo mes de
calentamiento ............................................................................................. 69
xiv
Tabla 24 Presión a diferentes temperaturas del aceite girasol, primer mes de
calentamiento ............................................................................................. 70
Tabla 25 Presión a diferentes temperaturas del aceite Girasol, segundo mes de
calentamiento ............................................................................................. 70
Tabla 26 Presión a diferentes temperaturas del aceite Vivi soya, primer mes de
calentamiento ............................................................................................. 73
Tabla 27 Presión a diferentes temperaturas del aceite Vivi soya, segundo mes de
calentamiento ............................................................................................. 74
Tabla 28 Presión a diferentes temperaturas del aceite Vivi soya, primer
calentamiento ............................................................................................. 75
Tabla 29 Presión a diferentes temperaturas del aceite vivi soya, segundo mes de
calentamiento ............................................................................................. 75
Tabla 30 Características típicas del aceite Tegra Iso 68 ............................................ 77
Tabla 31 Presión a diferentes temperaturas del aceite Tegra 68, primer mes de
calentamiento ............................................................................................. 77
Tabla 32 Presión a diferentes temperaturas del aceite Tegra 68, segundo mes de
calentamiento ............................................................................................. 78
Tabla 33 Valores de densidad de las muestras de aceite ............................................ 86
Tabla 34 Densidad y viscosidad del aceite sabroson proyectada. .............................. 89
Tabla 35 Variación de Re con diámetro de tubería de 0.0254 m (1”) de acuerdo a
la temperatura ............................................................................................ 94
Tabla 36 Número de Reynolds para el aceite sabrosón para tubería de diámetro
interno = 0.0254 m y 0.032 m a diferentes temperaturas .......................... 95
Tabla 37 Longitud total de tubería en el campo solar ................................................ 99
Tabla 38 Número de accesorios utilizados en la planta ........................................... 101
Tabla 39 Perdidas de carga en accesorios ................................................................ 103
Tabla 40 Longitud de tubería en el intercambiador ................................................. 103
Tabla 41 Densidad del aceite sabrosón a 20°C y 300°C .......................................... 108
Tabla 42 Volumen de aceite en tuberías del campo solar ........................................ 109
Tabla 43 Costos de fabricación del prototipo para calentamiento de muestras ....... 112
Tabla 44 Costos de implementación de equipos ...................................................... 113
Tabla 45 Costos de ensayos experimentales ............................................................ 114
xv
Tabla 46 Costos de ensayos en laboratorio .............................................................. 115
Tabla 47 Costos varios ........................................................................................... 1166
Tabla 48 Costos totales de la investigación ............................................................. 116
xvi
RESUMEN
En el presente proyecto de investigación se realizó la selección de los fluidos
térmicos que se pueden emplear en una central termosolar con colectores cilindro
parabólicos (CCP), específicamente para un prototipo comprendido de 18 receptores
parabólicos, distribuidos en tres filas en paralelo de 6 receptores en serie cada uno,
mediante experiencias obtenidas en otras plantas termosolares que se encuentran
actualmente en funcionamiento, además se realizó análisis experimentales a cuatro
tipos de aceites que se encuentran disponibles en el país, tres de ellos son aceites
comestibles y uno es aceite sintético industrial, el tiempo de análisis con los aceites
ha sido realizado durante dos meses, las pruebas consistieron en incrementar la
temperatura, partiendo de temperatura ambiente 20°C hasta 250°C, para esto se
construyó un prototipo para poder elevar la temperatura del aceite, en los cuales se
obtuvieron valores de presión y densidad. Con los valores obtenidos se realizó el
análisis y presentación de resultados de la investigación y posteriormente el
dimensionamiento de la bomba de circulación y tanque de expansión, para finalizar
con conclusiones y recomendaciones del proyecto.
PALABRAS CLAVE:
CENTRALES TERMOSOLARES,
CONCENTRADOR CILÍNDRICO PARABÓLICO,
FLUIDO TÉRMICO,
HTF.
xvii
ABSTRACT
In this research project the selection of thermal fluids that can be used in a solar
power plant with parabolic trough collectors (CPC), specifically for a parabolic
understood prototype 18 receivers, distributed in three parallel rows 6 receptors was
carried out in series each, using experience gained in other solar thermal plants are
currently in operation, in addition experimental analyzes four types of oils that are
available in the country took place, two of them are edible oils and two are industrial
synthetic oils, analysis time with oils has been performed for two months, the tests
consisted of raising the temperature starting from room temperature 20 ° C to 250 °
C, for this prototype in order to raise the oil temperature was constructed, in which
values of pressure, density, flash point is obtained and boiling, with the obtained
values the analysis and presentation of research results and then sizing the circulation
pump to finish with conclusions and recommendations of the project was completed.
KEY WORDS:
• SOLAR THERMAL POWER PLANTS,
• CYLINDRICAL PARABOLIC CONCENTRATOR,
• THERMAL FLUID,
• HTF.
xviii
ESTUDIO Y SELECCIÓN DE UN FLUIDO TÉRMICO PARA
APLICACIONES DE LA ENERGIA SOLAR DE MEDIA
TEMPERATURA CON CONCENTRADORES PARABÓLICOS
Los procesos de generación de energía eléctrica se los realiza normalmente
utilizando recursos fósiles que no son renovables y además son contaminantes, tales
como bunker, diésel, es por este motivo que una alternativa es emplear como
combustible la energía solar a través de su aprovechamiento en sistemas de
concentración, para el caso de este proyecto se lo realiza mediante captadores
cilindro parabólicos, para que calienten un fluido de trabajo denominado fluido
caloportador o fluido térmico, el cual pasa por un intercambiador de calor pudiendo
ser aprovechado como trigeneración (trabajo mecánico, frío, calor) según sea la
necesidad, y ser instalado en diversas localidades del país. En este proyecto de
investigación se analizan los fluidos térmicos que actualmente se encuentran
instalados y en funcionamiento en diversas centrales termosolares a nivel mundial,
para poder seleccionar el fluido más idóneo que puede ser aplicado en un prototipo
de central termosolar con concentradores cilindro parabólicos de media temperatura,
ubicado en la ESPE Sangolquí, conformada por una estructura de 18 captadores
formados en tres filas en paralelo de 6 captadores en serie cada uno, en donde se
manejaran temperaturas que puedan alcanzar hasta los 250°C, para esto se presenta el
siguiente trabajo que se encuentra dividido en varios capítulos, en el Capítulo 1 se
describen las generalidades del proyecto presentando antecedentes, definición del
problema, objetivos, alcance y justificación e importancia de la investigación, en el
Capítulo 2 se presenta el estado del arte de centrales termosolares utilizando
colectores cilindro parabólicos y teoría del aprovechamiento solar, en el Capítulo 3
se realiza el estudio de los fluidos térmicos y la selección, en el Capítulo 4 se
presenta el análisis de resultados de ensayos realizados con tres aceites vegetales
comestibles y un aceite sintético, en el Capítulo 5 se presenta el dimensionamiento
del sistema hidráulico, en el Capítulo 6 se genera el análisis de costos y finalmente
en el Capítulo 7 se presentan conclusiones y recomendaciones de la investigación
realizada.
1
CAPÍTULO 1
GENERALIDADES
1.1 ANTECEDENTES
A partir de la crisis energética de 1972 debido al incremento repentino del precio
del petróleo, muchos países tomaron como política de estado el fomentar y aplicar
energías renovables tanto para el sector industrial como para la comunidad. Dentro
de éste ámbito se han realizado implementaciones de grandes, pequeñas y medianas
centrales para aprovechamiento de la energía solar térmica de media y alta
temperatura utilizando fluidos térmicos como: agua, aceite térmico, sales fundidas,
vapor sobrecalentado.
Las plantas con colectores cilindro parabólicos (CCP) son las que cuentan
actualmente con una mayor experiencia comercial, gracias a las nueve plantas SEGS
(Solar Electricity Generating Systems) actualmente en operación en el desierto de
Mojave California - Estados Unidos, con sus más de 2,5 millones de metros
cuadrados de CCP, son el mejor ejemplo del estado del arte de esta tecnología. Con
una capacidad de producción en régimen comercial de 354 MWe, las plantas SEGS
han acumulado una gran experiencia en el diseño e implementación de este tipo de
centrales.
La primera planta termosolar conectada a la red se llamó “SEGS I” y entró en
operación en el año 1984, con una potencia nominal de 13.8MWe, el campo de
2
colectores se encontraba en un área aproximada de 82969m2, compuesta por 560
colectores, instalados en 140 filas paralelas
Luego en 1992 el precio de la electricidad baja en EEUU, y no se construyó
ninguna central durante aproximadamente dieciseis años, hasta que Solargenix
junto con Acciona ponen en operación la planta solar Nevada Solar One con 64 MW,
ubicada en Nevada Estados Unidos en el año 2007. Y luego hasta finales del año
2012 ya se encontraban en operación 53 centrales termosolares (Zarza E. , 2013).
Este elevado número de centrales hace que el riesgo tecnológico sea menor que en
las otras tecnologías.
En lo referente a la tecnología de concentración desarrollados en el Ecuador, en
el laboratorio de Energías Renovables de la ESPE - Sangolquí, concretamente en el
año 2005, se implementó una pequeña cocina solar con concentradores parabólicos,
la cual utilizaba aceite térmico como fluido de trabajo. Posteriormente en el año 2008
se implementa un concentrador parabólico de revolución para concentrar la radiación
solar en un foco por donde circula aceite térmico en un intercambiador de calor de
forma espiral
Con estos antecedentes se pretende desarrollar como parte del “Mega proyecto de
investigación y desarrollo de aplicaciones de la energía solar térmica de media y alta
temperatura para trigeneración utilizando sistemas de concentración” un estudio de
los fluidos térmicos disponibles en el país, y que se puedan incorporar al prototipo de
una central termosolar con concentradores cilindro parabólicos, que facilite mejores
prestaciones para la investigación y el desarrollo de aplicaciones para beneficio de
las comunidades Ecuatorianas.
1.2 DEFINICIÓN DEL PROBLEMA
En la actualidad el desarrollo de las energías renovables en el área de sistemas de
concentración solar en el país es incipiente, a diferencia de otros países en los cuales
utilizan esta tecnología para la generación de electricidad a gran escala a través de
3
plantas termosolares. Esta tecnología tiene un gran interés social, económico y
ambiental, al encontrar la viabilidad necesaria por el gran potencial solar que existe
en la región.
Para que en el país esta alternativa energética tenga un auge comercial, es
necesario contribuir y profundizar las investigaciones en el campo de la
concentración de la energía solar. Ante esto es necesario dar el primer paso en el
diseño y construcción de prototipos que deben estar orientadas al aprovechamiento
de la energía solar, la concentración de la radiación solar y su conversión en energía
térmica para producir energía mediante ciclos termodinámicos.
Para cumplir con este cometido en esta tesis se estudian los fluidos
caloportadores o conocido también como tecnología HTF, existente en el medio y así
lograr un adecuado uso y manejo de los propios recursos.
El principal problema en cuanto a los fluidos térmicos es encontrar un fluido que
pueda ser operado a temperaturas superiores a los 200°C, manteniéndose estable
térmicamente, debido a la degradación parcial que sufren los aceites y al riesgo de
incendio que conlleva de producirse fugas cuando están calientes.
En la presente investigación se va a determinar el fluido que permita trabajar en
el prototipo de central termo solar con concentradores cilindro parabólicos, cuya
temperatura oscile un rango de 150°C a 250°C, sin riesgo de congelamiento ni de
inflamación del fluido.
1.3 OBJETIVOS
1.3.1 GENERAL
Investigar los fluidos térmicos existentes en el medio y seleccionar el más idóneo
para su aplicación en una central solar térmica de media temperatura.
4
1.3.2 ESPECÍFICOS
Realizar pruebas experimentales a fluidos existentes en el país, para
determinar la factibilidad de su uso en centrales termosolares prototipo.
Determinar la metodología de operación del fluido para la aplicación en la
planta solar térmica de media temperatura.
Realizar el dimensionamiento del sistema hidráulico para circulación del
fluido térmico en el prototipo de concentrador cilindro parabólico.
1.4 ALCANCE
A través de análisis de laboratorio determinar la posibilidad de utilizar aceite
comestible como fluido caloportador e indicar el fluido térmico que cumpla con los
requerimientos energéticos de manera eficiente en la captación y transferencia de
calor en el prototipo de la central térmica solar de media temperatura.
1.5 JUSTIFICACIÓN E IMPORTANCIA DE LA INVESTIGACIÓN.
Siendo la radiación solar una fuente de energía renovable e inagotable y de gran
incidencia en el Ecuador, es necesario aprovechar este recurso mediante la
construcción de plantas solares fotovoltaicas y térmicas de media y alta temperatura.
En lo referente a este último, uno de los componentes principales en el
dimensionamiento y aplicación de plantas solares térmicas es el fluido de proceso,
por esta razón es necesaria la investigación sobre materiales térmicos presentes en el
medio que permitan maximizar el aprovechamiento de la energía solar captada
mediante concentradores solares.
Es necesario indicar que el fluido térmico debe cumplir con algunas condiciones
de mercado como son: disponibilidad, costo, eficiencia de almacenamiento de
energía, fácil manejo y de bajo impacto ambiental. Además se deben considerar
algunas características propias del fluido como son: coeficiente de expansión,
viscosidad, capacidad térmica, punto de congelación y punto de inflamación.
5
CAPÍTULO 2
MARCO TEÓRICO
En el presente capítulo, se introducen conceptos básicos de la energía solar y del
tipo de sistemas de centrales termosolares desarrolladas hasta el momento, para un
mejor entendimiento del trabajo de investigación, ya que en este trabajo se presenta
tan solo un componente (fluido térmico) que forma parte de un gran sistema como es
una central termo solar de media temperatura.
2.1 RADIACIÓN SOLAR
Se considera al sol como un cuerpo negro que radia energía a temperatura
aproximada de 5780K, y su energía en forma de radiación mantiene casi en su
totalidad la vida en la Tierra. (Montes, 2008)
No toda la radiación solar que incide sobre la atmósfera llega a la superficie
terrestre, debido a los fenómenos físicos generados por la atmósfera, tales como:
(AVEN, 2009)
Reflexión: Una parte de la radiación es reflejada en la parte superior de las nubes.
Difusión: Los rayos solares chocan con las moléculas gaseosas y partículas de
polvo difundiéndose en todas direcciones, de forma que una parte
vuelve al espacio.
6
Absorción: Una parte de la radiación es absorbida por las moléculas presentes en
la atmósfera.
De tal forma que en la superficie terrestre se tendrá la radiación global (Hg)
formada por las siguientes componentes:
a. Radiación Directa (Hb): Es la proveniente directamente del sol sin
perturbaciones o alteraciones, suponiéndose alrededor del 90% en días
soleados.
b. Radiación Difusa (Hd): Es la que se encuentra dispersada debido a los
componentes atmosféricos.
c. Radiación Reflejada (Hr): Conocida también como “albedo”, es aquella
radiación reflejada en el suelo y otros elementos de la superficie terrestre.
2.2 APROVECHAMIENTO SOLAR
El aprovechamiento de la energía solar por medio de su captación puede dividirse
en dos sistemas:
2.2.1 SISTEMAS PASIVOS
No necesita ningún tipo de dispositivo para captar la energía solar, únicamente se
lo hace aplicando elementos arquitectónicos, se introduce el concepto de arquitectura
bioclimática en el diseño de edificaciones para aprovechar al máximo los recursos
disponibles tales como el sol, viento, y otros, para reducir el consumo energético y
minimizar el impacto ambiental.
Un diseño pasivo es un sistema que capta la energía solar, la almacena y la
distribuye de forma natural, sin necesidad de elementos mecánicos. Sus principios
están basados en las características de los materiales empleados y en la utilización de
fenómenos naturales de circulación del aire. Los elementos básicos usados por la
arquitectura solar pasiva son:
7
Acristalamiento: capta la energía solar y retiene el calor, creando el efecto
invernadero.
Masa térmica: constituida por los elementos estructurales del edificio o por
algún material acumulador específico (agua, tierra, piedras). Tiene como
misión almacenar la energía captada.
Las aplicaciones más importantes de los sistemas solares pasivos son la
calefacción y la refrigeración. En estos sistemas las temperaturas de almacenamiento
son usualmente menores a 40°C, es necesario conocer las propiedades de los
materiales como la densidad y el calor específico para aprovechar los recursos
disponibles.
2.2.2 SISTEMAS ACTIVOS
Son aquellos en los que se necesita de dispositivos llamados colectores para
captar la radiación solar, dentro de esta clasificación la energía solar puede ser
aprovechada principalmente de dos maneras, la primera es en función del efecto
fotoeléctrico, con el que se consigue generar electricidad directamente a través de
paneles fotovoltaicos. La segunda forma de aprovechamiento es transformar la
energía radiante procedente del sol en energía térmica, utilizada para el
calentamiento de algún fluido.
Dentro del aprovechamiento solar térmico se pueden obtener varias
clasificaciones, en función del índice de concentración, de la temperatura del fluido,
del tipo de fluido, etc.
2.3 EN FUNCION DEL INDICE DE CONCENTRACION
La concentración de la radiación solar se consigue con dispositivos ópticos,
generalmente conocidos como colectores de concentración, que constan de un
concentrador y de un receptor, el factor o razón de concentración normalmente
8
denominado con la letra “C”, se define como el cociente entre el área de apertura del
concentrador y el área de absorción del receptor (Paredes, 2012)
𝐶 =𝐴𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑒 𝑎𝑝𝑒𝑟𝑡𝑢𝑟𝑎𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑜𝑛𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟
𝐴𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑒 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑐𝑖ó𝑛𝑑𝑒𝑙 𝑟𝑒𝑐𝑒𝑐𝑝𝑡𝑜𝑟 (1)
Dónde:
C Razón de concentración (adimensional);
Área de apertura, m2;
Área de absorción, m2.
El concentrador es el sistema óptico, que dirige o refleja la radiación hacia el
receptor.
El receptor, es el elemento donde la radiación es absorbida y se convierte en energía
térmica o química.
A continuación se presenta un esquema de la clasificación de los colectores solares
en función de la concentración “C”.
. Colectores no vidriados
sin concentración . Colectores de placa plana
c=1 . Colectores de vacío
Tipos de colectores solares
atendiendo a la razón de
concentración, c . Sistemas cilindro parabólicos y
con concentración Fresnel 30 < c < 90
c > 1 . Sistema de torre central
200 < c < 1000
. Discos parabólicos
1000 < c < 5000
Figura 1. Clasificación de los sistemas solares térmicos en función de la concentración.
Fuente: (Muñoz, 2008)
De la figura anterior se puede mencionar que, generalmente se diseñan los colectores
sin concentración C=1, para aplicaciones de baja temperatura (de 100 a 130C), son
sistemas que no presentan complejidad en la parte mecánica ya que no necesitan de
9
seguimiento de la trayectoria solar y se puede aprovechar la radiación directa y la
radiación difusa. Para los sistemas con concentración mayor a uno C >1, se tiene:
a. Sistemas cilindro parabólicos consisten en espejos cilíndricos cuya sección
transversal es una parábola, permitiendo que la radiación solar se concentre
en el eje focal. Se consiguen razones de concentración entre 30 y 90.
Figura 2. Concentrador Tipo Cilindro Parabólico.
Fuente: (Briceño, 2011).
b. Concentradores lineales tipo Fresnel tiene seguimiento en un solo eje, el
absorbedor se encuentra fijo en el espacio, en la zona focal. Utiliza
reflectores planos, simulando un espejo curvo por variación del ángulo
ajustable de cada fila individual de espejos, en relación con el absorbedor, su
valor de concentración está de 30 a 90.
Figura 3. Colector demostración Fresnel lineal MAN, en la plataforma Solar de Almería (PSA).
Fuente: (PSA, 2015).
10
c. Los sistemas de torre central están formados por espejos casi planos
denominados helióstatos, distribuidos en una superficie horizontal, e
inclinados de tal forma que reflejen la radiación solar hacia la parte superior
de la torre, donde generalmente se coloca el receptor. Tiene seguimiento solar
en dos ejes, los factores de concentración que se consiguen en este caso
oscilan entre 200 y 1000.
Figura 4. Sistema de Receptor central.
Fuente: (Briceño, 2011).
d. Los discos parabólicos son espejos tipo paraboloide de revolución, que se
mueven de forma que siempre están orientados al Sol. se consiguen razones
de concentración más altas, entre 1000 y 5000. (Paredes, 2012)
Figura 5. Concentrador Tipo Disco Parabólico.
Fuente: (Briceño, 2011).
11
Los cuatro tipos de sistemas solares térmicos de concentración descritos
anteriormente han sido probados y su viabilidad técnica ha sido demostrada en
distintos proyectos experimentales y comerciales, contándose con experiencias de
referencia en todas estas tecnologías en las instalaciones que el CIEMAT (Centro de
Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas) posee en la
Plataforma Solar de Almería (PSA), y en otros centros públicos de investigación,
como Sandia National Laboratories (Estados Unidos). (Zarza E. , 2013)
A continuación se presenta una tabla resumen comparativa de las tecnologías
mencionadas.
Tabla 1
Características principales de las diferentes centrales termosolares
Tipo de Central CCP Receptor
Central
Discos
Parabólicos
CLF
Potencia unitaria
Temperatura de Operación
Eficiencia Pico (solar-eléctrica)
Eficiencia Neta anual
15–200 MW
395°C
20%
11-16%
15–150 MW
550°C
23%
7-20%
3–25 kW
650°C
30%
12-25%
15–200 MW
390°C
18%
12%
Estado comercial
Riesgo Tecnológico
Almacenamiento disponible
Posibles diseños híbridos
Disponible
Bajo
Si
Si
Disponible
Medio
Si
Si
Prototipos
Alto
No
Si
Disponible
Medio
Si
Si
Costo W instalado (€ /W) 4 – 6 4 – 6 9 – 11 3 – 4
Fuente: (Zarza E. , 2013)
Las únicas tres plantas comerciales de receptor central que existían en
funcionamiento a finales del año 2012 eran españolas: PS-10 (10 MWe), PS-20 (20
MWe) propiedad de Abengoa, y la planta GEMASOLAR (19,9 MWe) de
TORRESOL Energy.
12
2.4 EN FUNCIÓN DE LA TEMPERATURA DEL FLUIDO
Esta clasificación se obtiene de la temperatura del fluido transportador que se
mueve a través del receptor, pudiendo ser de baja media y alta temperatura. (Paredes,
2012) (Muñoz, 2008)
Baja Temperatura (30 a 130C): Estos sistemas tienen un índice de concentración
igual a uno C=1, su funcionamiento se basa en el aprovechamiento de la radiación
directa y de la radiación difusa, sus aplicaciones básicamente están dirigidos a
calentamiento de agua sanitaria, calefacción, piscinas, labores de secado y mas.
Media Temperatura (100 a 400C): Estos sistemas tienen el índice de
concentración entre 30 y 90, se basan principalmente en concentradores lineales tipo
Fresnel y colectores cilíndrico parabólicos, siendo esta última la que actualmente se
encuentra más desarrollada, se utiliza principalmente en procesos industriales,
refrigeración, procesos químicos, desalinización.
Alta Temperatura (400 a 3000C): Estos sistemas tienen el índice de concentración
entre 200 y 5000, los sistemas de torre central están constituidos por espejos
levemente convexos, denominados helióstatos, que reflejan la radiación solar hacia la
parte superior de la torre donde se ubica al receptor, el factor de concentración se
encuentra entre 200 y 1000. Mientras que los discos parabólicos son espejos tipo
paraboloide de revolución que siempre se encuentran orientados hacia el sol, se
obtienen factores de concentración entre 1000 y 5000.
2.5 EN FUNCIÓN DEL TIPO DE FLUIDO
El tipo de fluido de trabajo utilizado depende de la tecnología con la que se
trabaje y de la temperatura a la que se desee alcanzar.
13
2.5.1 EN CCP
Si las temperaturas que se desean son moderadas (<175ºC) se puede utilizar agua
desmineralizada como fluido de trabajo al no tener grandes problemas, ya que la
presión de trabajo no es excesiva. En cambio, se utiliza aceite sintético en aquellas
aplicaciones donde se desean temperaturas más altas ( 125ºC < T < 400ºC).
2.5.2 SISTEMA DE RECEPTOR CENTRAL CON CAMPO DE
HELIOSTATOS
En los sistemas desarrollados en España, dentro de las instalaciones que CIEMAT
tiene en la Plataforma Solar de Almería, los fluidos térmicos utilizados en el receptor
han sido sodio líquido, vapor saturado o sobrecalentado, sales de nitratos fundidas y
aire (Romero, s.f.), en este tipo de sistemas se puede llegar a temperaturas de 1000C
siendo por lo general la temperatura de operación promedio de 600C.
2.5.3 SISTEMAS DE DISCO PARABÓLICO
Habitualmente, se usan dos métodos para la transferencia de la radiación solar al
gas de trabajo. En el primero se ilumina directamente un panel de tubos por el
interior de los cuales circula el gas que suele ser helio, hidrógeno o aire. En el
segundo método, se utiliza el concepto de tubo de calor o heat pipe, vaporizándose
un metal líquido (normalmente sodio) que luego condensa en la superficie de los
tubos por los que circula el gas de trabajo y refluye nuevamente al absorbedor.
(Romero, s.f.)
Esto permite alcanzar muy altas temperaturas de operación entre 650 y 800ºC, dando
lugar a eficiencias en el motor Stirling del orden del 30 al 40 %.
14
2.6 COLECTORES CILINDRO PARABÓLICOS CCP
Los colectores cilindro parabólicos, permite reflejar la radiación solar incidente
sobre una superficie reflectante en forma de parábola, denominada “concentrador”,
hacia un tubo absorbente de menor dimensión denominado “receptor”, ubicado en la
línea focal de la parábola, permitiendo concentrar la radiación solar a lo largo de un
eje.
La radiación concentrada sobre el tubo absorbente hace que el fluido que circula por
su interior se caliente, transformando de esta forma la radiación solar en energía
térmica, en forma de calor sensible o latente del fluido. (Romero, s.f.)
Figura 6. Principio de funcionamiento y componentes de un CCP.
Fuente: (Zarza E. , Generación directa de vapor con colectores solares cilindro parabólicos Proyecto
(DISS), 2003).
Los colectores cilindro parabólicos (CCP) son captadores solares de concentración,
que calientan al fluido de trabajo hasta temperaturas aproximadas a los 400ºC, por tal
motivo se denominan colectores solares de media temperatura. (Paredes, 2012)
15
2.6.1 COMPONENTES
Cimentación y Estructura Soporte
La cimentación es construida principalmente de hormigón armado, con la
función de permitir soportar y fijar la estructura de los colectores al piso,
además de soportar el peso.
La estructura tiene por misión dar rigidez al conjunto de elementos que lo
componen y además sirve como la conexión con la cimentación.
Fig. 7.a Colector LS-2 Fig. 7.b Colector LS-3
Figura 7. Sección transversal de la estructura del diseño LS-2 y LS-3
Fuente: (Montes, 2008).
Reflector Cilindro Parabólico
Tiene la misión de reflejar la radiación solar directa que incide en su
superficie y concentrarla sobre el tubo receptor, su forma es de una parábola
de forma que concentra sobre su línea focal casi la totalidad de la radiación
reflejada. Para llevar a cabo la reflexión se utilizan películas de plata o de
aluminio ubicadas en el soporte para tener rigidez. La razón de utilizar la
plata y no el aluminio es debido a la reflectividad de la plata que es mayor a
la del aluminio. En las plantas SEGS se ha utilizado espejos de vidrio con
película de plata, con los que se obtienen en un inicio reflectividad solar del
93,5% (Montes, 2008)
16
Figura 8. Colector de Sener en la Planta Andasol-1.
Fuente: (Montes, 2008).
Tubo Receptor
Es el encargado de convertir la radiación solar concentrada en energía térmica
que transporta el fluido calorífero. Se encuentra ubicado en la línea focal del
concentrador sujeto a la estructura mediante unos brazos soporte. De este
elemento consiste en gran medida el rendimiento global del colector.
Puede constar de un solo tubo o de dos tubos concéntricos, en el segundo
caso, el tubo interior es metálico con un recubrimiento selectivo por el que
circula el fluido calorífero de elevada absortividad (> 90%) y de baja
emisividad (<30%) en el espectro infrarrojo, lo que mejora el rendimiento
térmico.
El tubo exterior es de cristal y su función es la de reducir las pérdidas
térmicas por convección del tubo metálico además de proteger al tubo
metálico de las condiciones meteorológicas. Ambos tubos suelen tener un
tratamiento para elevar la transmisividad de la radiación solar, para mejorar el
rendimiento óptico del colector.
17
Figura 9. Componentes del Tubo Receptor.
Fuente: (Zarza E. , Generación directa de vapor con colectores solares cilindro parabólicos Proyecto
(DISS), 2003).
Sistema de seguimiento solar
Los CCP al necesitar captar la radiación solar directa durante el día para
poder concentrarla sobre el tubo absorbedor, requieren de un sistema de
seguimiento solar, para cambiar la posición del colector con el movimiento
del sol.
En este tipo de tecnología se realiza el seguimiento solar generalmente en un
solo eje, debido a que es más económico y sencillo de implementar, es
también más robusto resistiendo cargas de viento muy superiores, lo que
genera un menor índice de averías, mantenimiento y aumenta el tiempo de
operación, el accionamiento puede ser eléctrico, hidráulico o mecánico. El
sistema de seguimiento más común es el que gira los captadores alrededor de
un eje, la orientación se la puede realizar de norte a sur o de este a oeste.
18
Figura 10 a. Motor eléctrico con reductor Figura 10 b. Mecanismo hidráulico
Figura 10. Diferentes tipos de mecanismos de accionamiento.
Fuente: (Zarza E. , 2003).
De la figura anterior 2.10.a.a por lo general es utilizada en mecanismos de
dimensiones pequeñas o medias y la 2.10.b.b es requerido para estructuras grandes
que necesitan un alto torque de giro. Estos mecanismos de accionamiento deben ser
capaz de mover varios módulos concentradores conectados en serie, de tal forma que
se muevan como un solo elemento, tal como se muestra en la figura 11 el número de
módulos a mover dependerá del diseño constructivo, el tamaño de las estructuras,
velocidad del viento, entre otros.
19
Figura 11. Componentes del Tubo Receptor.
Fuente: (Zarza E. , 2013).
Una vez mencionado los componentes de los concentradores cilindro parabólicos, en
la figura 12 se presenta el conjunto formado por sus componentes.
Figura 12. Componentes del concentrador cilindro parabólico.
Fuente: (Zarza E. , 2003).
20
2.7 EXPERIENCIAS DE PLANTAS TERMOSOLARES CON CCP
INSTALADAS A NIVEL MUNDIAL
De las tecnologías actuales de Centrales Solares Termoeléctricas (Receptor
Central, Colectores Cilindro Parabólicos y los Discos Parabólicos), las plantas con
colectores cilindro parabólicos (CCP) son las que cuentan actualmente con una
mayor experiencia comercial, gracias a las nueve plantas SEGS (Solar Electricity
Generating Systems) actualmente en operación en el desierto de Mojave California -
Estados Unidos, con sus más de 2,5 millones de metros cuadrados de CCP, son el
mejor ejemplo del estado del arte de esta tecnología. Con una capacidad de
producción en régimen comercial de 354 MWe, las plantas SEGS han acumulado
una gran experiencia en el diseño e implementación de este tipo centrales. (Romero,
s.f.)
La tecnología de las plantas termosolares con captadores cilindro parabólicos
(CCP) ha sido mejorada significativamente desde las primeras plantas, que se
instalaron a principios de los años 80. A pesar de la clara reducción de costes, este
tipo de centrales aún se encuentran fuera del rango de competitividad con las plantas
convencionales de ciclo combinado que consumen gas natural. Esto obliga a abaratar
aún más el coste de la electricidad generada con las plantas termosolares con CCP.
La compañía Luz Internacional Limited, fundada en 1979, fue la que diseñó,
comercializó e instaló las nueve grandes plantas solares de generación eléctrica,
denominadas Solar Electric Generating System (SEGS), uno de los mejores
exponentes de la viabilidad de la tecnología de colectores cilindro parabólicos para la
producción de electricidad.
De las nueve plantas SEGS instaladas por Luz en California (USA), existen en la
actualidad ocho en operación diaria, con una potencia nominal de 340MWe. Ya que
una quedo fuera de funcionamiento (SEGS-I) debido a un incendio ocurrido en
febrero de 1999. (Montes, 2008)
21
Figura 13. Una de las centrales SEGS en el desierto de Mojave en California.
Fuente: (Briceño, 2011).
La tecnología utilizada en las plantas SEGS se denomina HTF, fluido de
transferencia de calor (en Inglés: Heat Transfer Fluid), que consiste en utilizar un
medio de transferencia de calor (generalmente aceite sintético) que transporta la
energía térmica suministrada por un campo solar CCP hasta el bloque de potencia en
el cual, mediante un intercambiador de calor, se aprovecha dicha energía para
alimentar un ciclo Rankine de agua-vapor (Montes, 2008). En la siguiente tabla se
presenta un resumen de las plantas SEGS, detallándose los parámetros más
importantes.
22
Tabla 2
Características básicas de las plantas SEGS-I a SEGS-IX
SEG
S I
SEGS
II
SEGS
III
SEGS
IV
SEGS
V
SEGS
VI
SEGS
VII
SEGS
VIII
SEGS
IX
Primer
año de
operación
1985 1986 1987 1987 1988 1989 1989 1990 1991
Potencia
Neta
(MWe)
13.8 30 30 30 30 30 30 80 80
Potencia
Bruta
(MWe)
14.7 33 33 33 33 33 33 88 88
Área de
apertura
colectore
s (ha)
8.296 19.03 23.03 23.03 25.05 18.8 19.42 46.43 48.39
Rendimie
nto
térmico
neto solar
(%)
- 26.7 27.8 27.8 27.8 34.1 34.1 34.2 34.2
Fluido de
trabajo
(Aceite)
ESS
O
500
Mons
anto
VP1
Monsa
nto
VP1
Monsa
nto
VP1
Monsa
nto
VP1
Monsa
nto
VP1
Monsa
nto
VP1
Monsa
nto
VP1
Monsa
nto
VP1
Fuente: (Montes, 2008).
Además hasta finales del año 2012 ya se encontraban en operación 53 centrales
termosolares (Zarza E. , 2013). Este elevado número de centrales hace que el riesgo
tecnológico sea menor que en las otras tecnologías.
A continuación se presenta otras experiencias desarrolladas con concentradores
cilindro parabólicos tales como:
ANDASOL
Andasol es el primer complejo termosolar del mundo con almacenamiento térmico,
ubicado en la provincia de Granada, que consta de tres centrales de cilindro
parabólicos, de 50 MWe cada una, llamadas Andasol-1, Andasol-2 y Andasol-3,
completados en el 2008, 2009 y 2011 respectivamente.
23
Figura 14. Planta Solar Andasol 1.
Fuente: (Energías renovables, 2015).
Las plantas Andasol 1 y 2 han sido desarrollados por ACS / grupo Cobra,
mientras que Andasol-3 ha sido desarrollado por Ferrostal AG, todas tienen
almacenamiento indirecto en tanques de sales fundidas con una capacidad total de
7.5 horas. Este hecho, junto con el sobredimensionamiento del campo (El campo
solar es capaz de suministrar hasta 2 veces la energía térmica que es capaz de
absorber la turbina) hace posible un mayor control en la producción de la central,
pudiendo entregar energía a la red eléctrica en función de las necesidades. [9]
Figura 15. Plantas Solares Andasol 1 y 2.
Fuente: (Energías renovables, 2015).
24
CENTRAL TERMOSOLAR PUERTOLLANO
Ubicada en la ciudad Real en la localidad de Puerto llano, inicia su operación en
el 2009, con una potencia de 50MW, tiene participación en un 90% por Iberdrola
Renovables y en un 10% por el Ministerio de Industria, Turismo y Comercio a través
del Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía (IDAE, 2015).
El campo solar de la instalación consta de 88 lazos, formado cada uno por cuatro
colectores cilindro parabólicos de aproximadamente 150 metros de largo. El campo
solar presenta un área de captación solar de 287.760 metros cuadrados. En total, la
planta incorpora 118.272 facetas de espejos parabólicos y 12.672 tubos absorbedores
(equivalentes a unos 50 kilómetros de tubo).
Figura 16. Planta Solar Puerto Llano.
Fuente: (Puerto llano, 2015).
NEVADA SOLAR ONE
La planta propiedad de Solargenix y Acciona, tiene una capacidad de 64MWe y
se encuentra ubicada en Boulder City, Nevada (EE.UU.), fue puesta en marcha en
junio del 2007 en una superficie de 130 hectáreas. Fue la mayor planta termosolar
instalada desde 1991, representando el resurgimiento de esta tecnología en el sistema
energético. (Energía, 2015)
25
Figura 17. Planta Solar Nevada Solar One.
Fuente: (Energía, 2015)
ACCIONA
Energía cuenta actualmente con cinco plantas termosolares operativas
adicionales a Nevada Solar One, que totalizan 314MW de potencia nominal, las
otras plantas operativas se encuentran en España y son Alvarado (Bajadoz), Majadas
(Cáceres), Palma del Río I y II, (Córdoba) y Orellana (Badajoz), todas ellas de 50
MW de potencia.
A continuación se detallan algunos de los proyectos realizados por ABENGOA
SOLAR, ubicados dentro y fuera de España. (solar, 2014). El contenido presentado
a continuación ha sido recopilado directamente de la página web de Abengoa Solar.
SOLNOVA
Solnova 1, 3 y 4 son tres centrales de 50 megavatios (MW) cada una y
tecnología cilindro parabólica situadas en la Plataforma Solúcar, Sanlúcar La Mayor
(Sevilla).
Son las tres primeras centrales de colectores cilindro parabólicos en operación
comercial en la Plataforma Solúcar. Estas centrales incluyen tecnología cilindro
parabólica desarrollada por Abengoa Solar y han ido incorporando sucesivamente
mejoras en su diseño. Cada central está compuesta por unos 300.000 metros
cuadrados de espejos que ocupan una superficie total de unas 115 hectáreas.
26
Figura 18. Planta Solar Solnova.
Fuente: (solar, 2014)
ÉCIJA
La Plataforma Solar Écija está formada por dos centrales de 50 MW cada una y
de tecnología cilindro parabólica. La primera central, Helioenergy 1, entró en
operación en septiembre 2011 y la segunda, Helioenergy 2, en enero 2012. Las
centrales Helioenergy 1 y Helioenergy 2 son operadas conjuntamente por Abengoa
Solar y E.ON, que crearon una alianza en 2009. Las dos centrales cuentan con un
total de 121.000 espejos instalados en el campo solar que concentran la luz del sol
para generar vapor a unas temperaturas de hasta 400 grados, en una superficie de más
de 220 hectáreas, el equivalente a unos 300 campos de fútbol.
Figura 19. Plantas Solares Helioenergy 1 y 2.
Fuente: (solar, 2014).
27
EL CARPIO
La Plataforma Solar El Carpio, está formada por dos centrales de 50 MW cada
una y tecnología cilindro parabólica. Ambas centrales están en operación comercial
desde principios de 2012. Abengoa Solar, que opera ambas centrales, cuenta con una
participación del 74%. Cada central tiene un total de 360 colectores (colector cilindro
parabólico ASTRØ), ocupando una superficie aproximada de 110 hectáreas cada
una.
Figura 20. Planta Solar El Carpio.
Fuente: (solar, 2014).
CASTILLA – LA MANCHA
La Plataforma Solar Castilla-La Mancha, está formada por dos centrales de 50
MW cada una y tecnología cilindro parabólica. Las dos centrales, Helios 1 y Helios
2, han entrado en operación durante el verano de 2012.
28
Figura 21. Plantas Solares Helios 1 y 2.
Fuente: (solar, 2014)
EXTREMADURA
La Plataforma Solar Extremadura está formada por cuatro centrales cilindro
parabólicas de 50 MW cada una. De estas cuatro centrales, dos de ellas están
participadas por Abengoa Solar en un 70 %, quien opera las centrales, y por la
japonesa Itochu Corporation en un 30%. Solaben 2 y Solaben 3 empezaron su
operación en 2012. La segunda fase de esta plataforma, compuesta por Solaben 1 y
Solaben 6, opera desde agosto de 2013.
Figura 22. Plantas Solares Solaben 2, 3, 1, 6.
Fuente: (ingeniería, 2015)
29
HASSI R’MEL EN ARGELIA
La planta híbrida de ciclo combinado gas - solar de Hassi R'Mel en Argelia,
cuenta con 150 megavatios (MW) de potencia de los que 20 MW proceden de un
campo compuesto por 224 colectores cilindro parabólicos (CCP). La planta está en
operación desde julio de 2011. Esta planta de tecnología solar híbrida con ciclo
combinado, tiene 150 MW de potencia, de los que 20 MW proceden de un campo de
colectores cilindro parabólicos con aceite térmico de 180.000 m2 de superficie
reflectante. La novedad del proyecto es el aprovechamiento eléctrico del calor
generado en la misma turbina de vapor que aprovecha el calor residual de la turbina
de gas.
Figura 23. Planta Gas - Solar Hassi R´Mel.
Fuente: (solar, 2014).
SHAMS 1 EN EMIRATOS ÁRABES UNIDOS
La planta Shams-1 tiene100 megavatios (MW) de potencia usando tecnología
cilindro parabólica. La planta, localizada en Madinat Zayed, a unos 120 kilómetros al
suroeste de Abu Dhabi (Emiratos Árabes Unidos), comenzó su construcción el
verano de 2010. La central Shams-1, que ocupa unas 300 hectáreas en el desierto de
Abu Dhabi, tiene una potencia de 100 MW, gracias a los casi 600.000 m2 de campo
solar en los que operan 768 colectores cilindro parabólicos suministrados por
Abengoa Solar.
30
Figura 24. Planta Solar Shamn-1.
Fuente: (solar, 2014)
SOLANA – ESTADOS UNIDOS
Solana, la mayor central cilindro parabólica del mundo, tiene una potencia de
280 megavatios (MW) con seis horas de almacenamiento de energía térmica, lo que
permite producir electricidad durante los períodos nublados y tras la puesta del sol,
satisfaciendo el pico de demanda de electricidad que existe en esta zona en los meses
de verano.. La central está ubicada a unos 100 kilómetros al suroeste de Phoenix,
cerca de Gila Bend, Arizona. Comenzó su construcción a finales de 2010 y ha
entrado en operación en 2013.
Figura 25. Planta Solar Solana.
Fuente: (solar, 2014)
31
CAPÍTULO 3
FLUIDOS TÉRMICOS
Los fluidos térmicos o caloportadores, son aquellos fluidos capaces de
transportar energía en forma de calor desde el punto donde se produce hasta el punto
donde se transfiere este calor. En los colectores cilindro parabólicos, el fluido
térmico capta la energía radiante del sol en forma de energía térmica al circular a
través del tubo receptor y lo transporta hasta el intercambiador de calor. Al trabajar
con colectores cilindro parabólicos el intervalo de temperatura se encuentra entre 150
C y 400 C, este rango de temperatura es determinado por el tipo de fluido térmico. A
continuación se presentan los principales fluidos caloportadores.
3.1 AGUA
Es un fluido caloportador muy utilizado a nivel industrial para una extensa gama
de finalidades debido a sus beneficios que presenta hasta ciertas temperaturas, se lo
puede utilizar como fluido térmico en forma líquida (agua caliente, agua
sobrecalentada), en forma gaseosa (vapor sobrecalentado) o en forma bifásica (vapor
saturado). (García, 2012)
VENTAJAS
Es barata y existe en abundancia.
No es tóxica.
No es inflamable.
Posee un alto calor específico lo que le convierte en un excelente medio
transmisor de calor.
32
DESVENTAJAS
Es oxidante y produce corrosión.
La presión de vapor aumenta considerablemente al incrementarse la
temperatura.
A presión ambiente cambia de fase a los 100ºC.
Utilización de tuberías de espesores elevados para trabaja con altas presiones.
Sin embargo las propiedades termodinámicas y fisicoquímicas del agua, hacen a
esta un medio de transferencia térmica ideal. Circuitos cerrados de agua caliente y
sistemas de soluciones de glicol en fase liquida son ambos una excelente opción para
procesos de calentamiento indirecto de hasta aproximadamente 150ºC. Ya que el
agua es usada en un circuito cerrado sin alimentación directa de una fuente de agua
externa.
3.2 ACEITE TÉRMICO
Para altas temperaturas se aplican fluidos que son estables en el rango de
temperatura del proceso, es decir, que tengan un punto de fusión bajo y un punto de
evaporación y descomposición alto. Fluidos con semejantes características son sales
fundidas, aceites minerales o sintéticos y metales fundidos como el sodio.
El aceite térmico puede ser de origen mineral o sintético, los primeros se extraen
del petróleo y están formados por cadenas de hidrocarburos, además este tipo de
fluidos son utilizados frecuentemente en calderos cuyo sistema de funcionamiento lo
realizan en base a aceite térmico.
3.2.1 ACEITES MINERALES
Los aceites minerales son ampliamente usados como lubricantes debido a que poseen
tres propiedades crucialmente importantes:
33
Tienen características de viscosidad adecuadas.
Son refrigerantes efectivos debido a su alta conducción del calor y alto calor
específico.
Tienen la capacidad de proteger contra la corrosión.
VENTAJAS
Son relativamente de bajo coste.
Son estables térmicamente.
Son compatibles con la mayoría de los componentes usados en los sistemas
de lubricación.
Son virtualmente poco peligrosos a la salud.
Buenas características viscosidad – temperatura.
Baja presión de vapor.
Los aceites minerales pueden ser usados como fluidos térmicos, si no se excede
el valor permisible de temperatura, si tiene baja viscosidad, baja tensión de vapor y
alta resistencia a la oxidación. Pueden ser mezclados con otros aceites y una gran
variedad de aditivos para extender o modificar sus propiedades y pueden ser
fabricados para producir las características físicas requeridas.
DESVENTAJAS
Son obtenidos por destilación fraccionada del petróleo, formados por un
conjunto de cadenas de diferente longitud.
Durante el ciclo de trabajo, las cadenas más cortas (hidrocarburos más
volátiles) se vaporizan con mayor facilidad, lo que tiende a aumentar la
viscosidad del fluido restante y con el tiempo, la degradación y coquización
del mismo.
Los aceites minerales están sujetos a dos tipos de degradación al encontrarse a
temperaturas elevadas (Shell, 2004):
Craqueo, llamado también rotura de las cadenas de hidrocarburos por efecto
del calor. Las cadenas largas se dividen en cadenas más pequeñas en
34
sucesivas etapas. Algunas de ellas se eliminan como gases, pero otras son
inestables y polimerizan dando lugares a compuestos insolubles que forman
depósitos.
Oxidación, o la reacción del hidrocarburo con el oxígeno atmosférico. A
temperatura ambiente la reacción ocurre con una velocidad relativamente
lenta, pero esta se acelera conforme aumenta la temperatura. La oxidación
produce la acidificación del aceite y generalmente va acompañada de un
incremento de la viscosidad.
APLICACIONES
Sistemas cerrados de calefacción, ya sea por convección natural o circulación
forzada, que utilizan fluidos que operan con temperaturas de hasta 320ºC.
Tratamientos térmicos de metales, como por ejemplo templado y revenido de
aceros.
Existen algunas variedades de aceites minerales disponibles en el país, entre ellos
están:
TEXATHERM 46
Se encuentra disponible en el país en presentaciones de 55 galones a un precio
promedio de 835 dólares. Es un aceite parafínico altamente refinado y térmicamente
estable, recomendado para unidades de transferencia de calor por circulación que no
exceda los 190ºC para sistemas abiertos (expuestos al aire) y 315ºC para sistemas
cerrados (sin entrada de aire) y con una temperatura inferior desde los -15ºC
(Texaco, 2004), Sus principales características se muestran en las siguientes tablas,
en el Anexo N.1 se presenta mayor información sobre este aceite.
35
Tabla 3
Características típicas del aceite Texatherm 46
Método
ASTM ISO 46
Densidad @ 15.5ºC kg/l D-4052 0.868
Viscosidad cinemática
cSt @ 40ºC D-445 46
cSt @ 100ºC D-445 6.78
Indice de viscosidad D-2270 101
Punto de inflamación, ºC D-92 235
Punto de fluidez, ºC D-97 -15
Fuente: (Conauto, 2015)
Las propiedades físicas y térmicas del aceite Texatherm 46 se presenta en la
siguiente tabla.
Tabla 4
Propiedades físicas y térmicas versus temperatura
Texatherm 46 a 40ºC (104ºF) a 150ºC (104ºF) a 260ºC (104ºF)
Viscosidad cSt 46.9 2.91 -
Conductividad térmica BTU/hr-ft-F 0.0769 0.0722 0.0675
Calor específico BTU / lb-F 0.4683 0.5642 0.6602
Densidad kg/l 0.809 0.6836 0.5583
Fuente: (Conauto, 2015).
En la siguiente tabla se presenta la tabla anterior con unidades SI, esto con el fin de
poder comparar luego los tipos de aceite en las mismas unidades.
Tabla 5
Propiedades físicas y térmicas versus temperatura (SI Unidades)
Texatherm 46 a 40ºC (104ºF) a 150ºC (104ºF) a 260ºC (104ºF)
Viscosidad cSt 46.9 2.91 -
Conductividad térmica W/mK 0.1330 0.1249 0.1167
Calor específico kJ / KgK 1.9594 2.3606 2.7623
Densidad kg/m3 809.0 683.6 558.3
36
SHELL THERMIA OIL B
Se encuentra disponible en el país en presentaciones de tanques de 55 galones a
un precio promedio de 800 dólares. Tiene una estabilidad térmica excepcionalmente
buena a temperaturas de hasta 320ºC, la temperatura de película o de film no debe
superar los 340ºC, la temperatura inferior puede ser desde -12ºC (Shell, 2004). Sus
principales características se muestran en las siguientes tablas, en el Anexo N.2 se
presenta mayor información.
Tabla 6
Características típicas del aceite Shell Thermia B
Método
ISO
Densidad @ 15ºC kg/l ISO 12185 0.868
Viscosidad cinemática
cSt @ 40ºC ISO 3104 24.8
cSt @ 100ºC ISO 3104 4.6
Punto de inflamación, ºC ISO 2592 230
Punto de fluidez, ºC ISO 3016 -12
Fuente: (Shell, 2004).
En la siguiente tabla se presentan las propiedades físicas y térmicas del aceite de este
aceite.
Tabla 7
Propiedades físicas y térmicas versus temperatura
Thermia B a 15.5ºC (60ºF) a 93.3ºC (200ºF) a 204.4ºC(400ºF)
Viscosidad cSt - 4.7 1.2
Conductividad térmica BTU/h.ft.F 0.1339 0.1282 0.1200
Calor específico BTU/lb.F 0.445 0.513 0.610
Densidad kg / l 0.85 0.811 0.746
Fuente: (Shell, 2004)
En la siguiente tabla se presenta la tabla 7 con unidades SI, para poder comparar
luego los tipos de aceite en las mismas unidades.
37
Tabla 8
Propiedades físicas y térmicas versus temperatura (SI Unidades)
Thermia B a 15.5ºC (60ºF) a 93.3ºC (200ºF) a 204.4ºC(400ºF)
Viscosidad cSt - 4.7 1.2
Conductividad térmica W /m K 0.0774 0.0741 0.0694
Calor específico kJ / Kg K 1.8619 2.1464 2.5522
Densidad kg/m3 850.0 811.0 746.0
MOBILTHERM 605
Se encuentra disponible en el país en presentaciones de tanques de 55 galones a
un precio promedio de 730 dólares. Tiene un alto rendimiento diseñado para ser
usado en instalaciones cerradas con calentamiento indirecto, altamente refinado y
resistente a la degradación térmica y a la oxidación química, su rango de temperatura
en sistemas cerrados va de -7ºC a 315ºC y en sistemas abiertos de -7ºC a 180ºC,
(Mobil, 2015). Sus principales características se muestran en la siguiente tabla, en el
Anexo N.3 se presenta mayor información.
Tabla 9
Características típicas del aceite Mobiltherm 605
Método ASTM ISO 46
Densidad @ 15.5ºC kg/l D-4052 0.86
Viscosidad cinemática
cSt @ 40ºC D-445 30.4
cSt @ 100ºC D-445 5.4
Punto de inflamación, ºC D-92 230
Punto de fluidez, ºC D-97 -12
Fuente: (Mobil, 2015).
A continuación se presentan las gráficas comparativas de las propiedades físicas y
térmicas de los aceites Texatherm 46 y Shell Thermia B en función de la
temperatura.
38
Figura 26. Variación de la densidad del Shell Thermia B y del Texatherm 46 con la temperatura
Figura 27. Variación del calor específico del Shell Thermia B y del Texatherm 46 con la temperatura.
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
0 50 100 150 200 250 300
ρ
kg
/ m
3
Temperatura (°C)
Densidad
Shell Thermia
Texatherm
1,5
1,7
1,9
2,1
2,3
2,5
2,7
2,9
0 50 100 150 200 250 300
Cp
k
J /
Kg K
Temperatura (°C)
Calor específico
Shell Thermia
Texatherm
39
Figura 28. Variación de la conductividad térmica del Shell Thermia B y del Texatherm 46 con la
temperatura.
De las figuras 26 a la 28 se puede ver que las características de los dos aceites son
muy similares, teniendo únicamente una variación mayor en la densidad donde el
texatherm tiene menor densidad con el incremento de la temperatura respecto al
Shell termia, lo que significa que tendrá mayor volumen mientras permanezca
caliente, lo que conlleva a la necesidad de construir un tanque de expansión de
mayor capacidad.
3.2.2 ACEITES SINTÉTICOS
Los aceites sintéticos son lo que se generan únicamente por síntesis química, no
existen de forma natural, la diferencia entre los fluidos térmicos sintéticos y los
minerales es que presentan una estructura molecular conocida, definida, reproducible
y en consecuencia, las propiedades son predecibles. Es decir, los fluidos sintéticos
son diseñados para conseguir cadenas homogéneas, obteniendo mínimo
desprendimiento, vaporización inferior y un tiempo de vida notablemente superior.
De todos los fluidos posibles, los fluidos orgánicos sintéticos son los que
mayores ventajas presentan, y entre ellos destaca la mezcla eutéctica compuesta por
un 26,5% en peso de óxido de di fenilo y un 73,5% de bifenilo. Esta mezcla presenta
0,114
0,116
0,118
0,12
0,122
0,124
0,126
0,128
0,13
0,132
0,134
0 50 100 150 200 250 300
k
W /
m.K
Temperatura (°C)
Conductividad térmica
Shell Thermia
Texatherm
40
el mejor compromiso entre coste y prestaciones, aunque presenta grandes
dificultades en su manejo que condicionan enormemente los resultados de
explotación de las plantas, este fluido se le denomina habitualmente HTF (Heat
Transfer Fluid).
Con el aceite térmico se puede alcanzar temperaturas cercanas a los 400ºC con
presiones relativamente bajas, estos valores dependerán de los aceites utilizados, uno
de los principales aceites utilizados en las plantas termosolares con CCP es el
Therminol VP-1, se tiene otra alternativas como el aceite el Syltherm, con mejores
prestaciones pero con un precio unas tres veces superior (Muñoz, 2008), además se
tiene el Dowtherm A, entre otros.
Las principales propiedades que debe cumplir un fluido térmico son: (García, 2012)
a. Temperatura máxima. Temperatura a la que las reacciones de degradación
por craqueo térmico de hidrocarburos son muy rápidas, 430°C, por encima de
esta temperatura, las moléculas se rompen para formar radicales libres que a
su vez cataliza la reacción de craqueo, aumentando aún más la tasa de
reacciones. Por lo tanto, debe asegurarse que en ningún momento se llegue a
esta temperatura, especialmente en el interior de los tubos de absorción o en
la caldera auxiliar.
b. Temperatura de congelación. La mezcla de todos los hidrocarburos usados
tiene un punto eutéctico a 12°C, es decir, un punto de congelación inferior a
cada uno de los componentes separados. Esta es la razón fundamental de
utilizar mezclas.
c. Densidad. Al igual que otros hidrocarburos, muestra un cambio brusco de la
densidad con la temperatura. Así el HTF, a 25 °C, la densidad es similar a la
del agua 1060 kg/m3, es decir, una tonelada ocupa 943 litros. En contraste, a
393° C, la densidad es sólo de 690 kg/m3, o su equivalencia, una tonelada
ocupa 1.450 litros, es decir, mucho más. Por esta razón, es necesario
41
proporcionar un tanque capaz de absorber los cambios de volumen de
expansión.
d. La presión de vapor. A temperatura ambiente, la presión es muy baja, casi
0, lo que significa que no es volátil. Pero a 393 °C la presión de vapor es de
10,6 bar. Eso significa que si la presión es inferior a 10,6 bar y la temperatura
está por encima de 393°C existirá un cambios de estado de líquido a vapor,
un efecto no deseado. Por lo tanto, la presión debe ser en todos los puntos por
encima de 10,6 bar, lo que garantiza que en todo momento el fluido
permanece en estado líquido. Hay que tener en cuenta que cualquier fuga de
alta temperatura de HTF causa una descompresión, y por lo tanto una
vaporización instantánea: así una fuga provocará que el fluido de inmediato
entre en ebullición, que en contacto con el aire y una chispa provocara un
incendio.
e. Calor específico. Los rangos del calor específico del HTF, están entre 2.300
y 2.700 kJ / kg K, es decir, para elevar la temperatura de un kg de HTF un
grado es necesario suministrar 2300 kJ de energía.
f. Entalpía. La entalpía es una medida de la energía interna del fluido bajo
ciertas condiciones. Su variación es una medida de la cantidad de energía que
el fluido ha ido intercambiado (absorbida o cedida) con su medio ambiente.
La entalpía del HTF a 293°C es de aproximadamente 540 kJ/kg. A 393°C es
de aproximadamente 800 kJ/kg. Eso significa que si un kilogramo de HTF se
eleva su temperatura desde 293 ° C a 393 ° C, tiene que absorber alrededor de
260 KJ.
g. Viscosidad. La viscosidad HTF cambia abruptamente entre 25°C y 400°C. A
25°C es un fluido viscoso que fluye de una manera incorrecta, siendo
necesario que la temperatura nunca descienda por debajo de 40°C. A 393°C
su viscosidad es 0,12 mPas, es todavía mucho mayor que la del agua a 20°C.
42
A continuación se presenta las principales características de los aceites sintéticos con
mejores prestaciones como fluido térmico, y también se presenta los empleados con
mayor frecuencia en las plantas termosolares.
THERMINOL VP-1
Su precio promedio en España es de 2,5 euros el kilogramo, no se encuentra
disponible en el país, para su obtención se debe realizar mediante importación lo que
ocasiona un incremento en el precio. Este aceite puede trabajar en un rango de
temperatura de 12°C a 400°C, (VP-1, 2015). El Therminol VP-1 ha sido
implementado en las plantas solares SEGS, Andasol, entre otras. En el Anexo N.4 se
presenta mayor información sobre este fluido.
Tabla 10
Características típicas del aceite Therminol VP-1
Método
Densidad @ 15ºC kg/m3 DIN 51757 1068
Viscosidad cinemática
cSt @ 40ºC DIN 51562-1 2.48
Punto de inflamación, ºC DIN 51376 124
Punto de fluidez, ºC ISO 3016 12
Fuente: (VP-1, 2015).
Tabla 11
Propiedades físicas y térmicas versus temperatura, fase líquida
Therminol VP-1 a 20ºC a 100ºC a 200ºC a 350ºC
Viscosidad cinemática cSt 4.03 0.986 0.432 0.233
Conductividad térmica W/m.k 0.136 0.128 0.114 0.086
Calor específico kJ/kgK 1.546 1.775 2.048 2.454
Densidad kg / m3 1064 999 913 761
Fuente: (VP-1, 2015).
43
SYLTHERM 800
Su precio promedio en España es de 10 euros el kilogramo, no se encuentra
disponible en el país, para su obtención se debe realizar mediante importación lo que
ocasiona un incremento en el precio. Tiene un rango de operación recomendado de -
40°C hasta 400°C, el rango más amplio de todos los fluidos de transferencia de calor
disponible actualmente en el mercado (Syltherm, 2001). En el Anexo N.5 se
presenta mayor información sobre este fluido.
Tabla 12
Características típicas del aceite Syltherm 800
Método
Densidad @ 25ºC kg/m3 ASTM D92 936
Viscosidad cinemática
cSt @ 25ºC DIN 51562-1 2.48
Punto de inflamación, ºC DIN 51376 193
Punto de fluidez, ºC ISO 3016 -60
Fuente: (Dow, Fluidos de transferencia de calor, 2011)
Tabla 13
Propiedades físicas y térmicas versus temperatura, fase líquida
Syltherm 800 a 20ºC a 100ºC a 200ºC a 350ºC
Viscosidad cinemática cSt 4.03 0.986 0.432 0.233
Conductividad térmica W/m.k 0.136 0.128 0.114 0.086
Calor específico kJ/kgK 1.546 1.775 2.048 2.454
Densidad kg / m3 1064 999 913 761
Fuente: (Dow, Fluidos de transferencia de calor, 2011).
DOWTHERM A
Su precio promedio en España es de 7 euros el kilogramo, no se encuentra
disponible en el país, para su obtención se debe realizar mediante importación lo que
44
ocasiona un incremento en el precio. Tiene excelente estabilidad térmica en
aplicaciones de hasta 400°C, con temperatura de film máxima recomendada de
427°C, el rango de temperatura recomendado para uso en operación en fase líquida
va desde 15°C a 400°C, posee una baja viscosidad que reduce los problemas de
arranque (Dow, 2011) (Dow, Dowtherm A , 1997). En el Anexo N.6 se presenta
mayor información sobre este fluido.
Este fluido térmico ha sido suministrado a nivel mundial para generar más de
700 MW de energía eléctrica a partir del sol, proyectos en España utilizan más de
20000 toneladas métricas de Dowtherm, con datos tomados hasta el 2010 este fluido
de transferencia térmica producida en 12 plantas es suficiente para abastecer a cerca
de 400000 viviendas (Dow, 4th Annual international csp summit seville, 2010).
Tabla 14
Características típicas del aceite Dowtherm A
Método
Densidad @ 25ºC kg/m3 ASTM D92 1056
Viscosidad cinemática
cSt @ 25ºC DIN 51562-1 3.71
Punto de inflamación, ºC DIN 51376 257
Punto de fluidez, ºC ISO 3016 12
Fuente: (Dow, Dowtherm A , 1997).
Tabla 15
Propiedades físicas y térmicas versus temperatura, fase líquida
Dowtherm A a 20ºC a 100ºC a 200ºC a 400ºC
Viscosidad cinemática cSt 4.29 0.97 0.37 0.13
Conductividad térmica W/m.k 0.136 0.1259 0.1099 0.0779
Calor específico kJ/kgK 1.573 1.800 2.079 2.701
Densidad kg / m3 1059.6 994.9 907.1 680.2
Fuente: (Dow, Dowtherm A , 1997).
45
En las siguientes figuras se muestran las variaciones de las propiedades físicas y
térmicas de los aceites sintéticos mencionados en este apartado en función de la
temperatura.
Figura 29. Variación de la densidad con la temperatura.
Figura 30. Variación del calor específico con la temperatura.
0
200
400
600
800
1000
1200
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450
ρ k
g /
m3
Temperatura (°C)
Densidad
Therminol VP 1 Syltherm 800 Dowtherm A
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
0 100 200 300 400 500
Cp
k
J /
Kg K
Temperatura (°C)
Calor específico
Therminol VP1 Syltherm 800 Dowtherm A
46
Figura 31. Variación de la conductividad térmica con la temperatura.
Figura 32. Variación de la viscosidad con la temperatura.
De las figuras 29 a la 32, se puede notar claramente que las propiedades de los
aceites Therminol VP-1 y Dowtherm A son muy similares, debido a esto son los
fluidos que tienen mayor presencia en las centrales termosolares con cilindro
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,12
0,14
0,16
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450
k W
/ m
.K
Temperatura (°C)
Conductividad térmica
Therminol VP 1 Syltherm 800 Dowtherm A
0
1
2
3
4
5
6
7
8
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450
µ m
Pa.s
Temperatura (°C)
Viscosidad
Therminol VP1 Syltherm 800 Dowtherm A
47
parabólicos que se encuentran en pleno funcionamiento comercial, también se puede
notar que el aceite Syltherm 800 tiene mejores prestaciones que los dos aceites
mencionados anteriormente el inconveniente es su alto precio comparado con el
Therminol y el Dowtherm.
3.3 SALES FUNDIDAS
Son fluidos basadas en mezclas eutécticas que se funden a altas temperaturas
superiores a los 150°C, tienen un funcionamiento interesante desde el punto de vista
térmico gracias a sus prestaciones a altas temperaturas y alta densidad, lo que
permite que sean adecuados para ser utilizados como almacenamiento térmico. Las
mezclas más utilizadas son las de nitrato de sodio – nitrato de potasio que pueden
funcionar sobre los 560°C, este tipo de fluido es principalmente utilizado como
almacenamiento térmico en las plantas solares con concentradores cilindro
parabólicos, existen algunos estudios de investigación y desarrollo en base a las sales
fundidas que se han implementado en varias plantas solares como son: CESA,
Andasol 1, Solar Two (California - EEUU), Solar Tres (Andalucía - España).
Las limitaciones que presentan las sales fundidas es su alto punto de fusión
alrededor de los 200°C, esto significa que al enfriarse por debajo de esta temperatura
se solidifica, y el uso en grandes campos de captadores cilindro parabólicos requiere
la instalación de sistemas auxiliares de calentamiento para todas las tuberías del
campo solar cuando no haya radiación solar. Aunque se trata de un fluido
medioambiental más benigno que el aceite, los altos puntos de cristalización disparan
los autoconsumos de la central. Además presenta problemas de corrosión.
La entidad italiana ENEA, lleva trabajando en este campo del uso de sales
fundidas como fluido de trabajo desde hace más de 12 años, habiendo comprobado
su viabilidad técnica, pero aún pendiente determinar su viabilidad comercial, la cual
se prevé que quede dilucidada con los resultados experimentales que se obtengan en
la central de 5MWe que ENEA ha construido en Siracusa, con el nombre de Priolo.
(Guía técnica de la energía solar termoelectrica, 2012)
48
Figura 33. Propiedades físicas de la sal fundida Hitec XL, junto con las del aceite Therminol VP1 –
Calor Específico.
Fuente: (Muñoz, 2008)
Figura 34. Propiedades físicas de la sal fundida Hitec XL, junto con las del aceite Therminol VP1 -
Densidad
Fuente: (Muñoz, 2008)
49
Figura 35. Propiedades físicas de la sal fundida Hitec XL, junto con las del aceite Therminol VP1 –
Conductividad térmica.
Fuente: (Muñoz, 2008).
3.4 SODIO LÍQUIDO
El uso de sodio líquido se ha desarrollado en la industria nuclear, tiene excelentes
propiedades de transferencia de calor debido a su alto coeficiente térmico, el
problema del sodio es su alta reactividad con el agua y con el aire (García, 2012). El
rango térmico del sodio líquido va desde los 97°C hasta valores superiores a los
880°C, el sodio fundido frente a los aceites térmicos presenta diferencias claras en
sus propiedades tales como su calor específico y densidad son menores sumado a la
menor inercia térmica y su alto punto de fusión lo hace no recomendable como fluido
de almacenamiento. Por otro lado su baja viscosidad y menor inercia térmica hace
que sea un fluido de rápido arranque, además posee una alta conductividad térmica,
esto implica que en el seno del fluido la transferencia de energía no se realiza por
convección (como en el agua o aceite) sino por conducción que es algo habitual en
los metales líquidos (Muñoz, 2008), podría ser utilizado como fluido en discos
Stirling.
3.5 AGUA – VAPOR
Consiste en alimentar el campo solar directamente con agua líquida a presión, de
tal forma que esta agua se precalienta, evapora y se convierte en vapor
50
sobrecalentado conforme circula desde la entrada hasta la salida de las filas paralelas
de captadores que componen el campo solar, este proceso es conocido como
Generación Directa de Vapor (GDV por sus siglas en español, o DSG, Direct Steam
Generation por sus siglas en Inglés).
El tener un flujo bifásico agua líquida / vapor, en una gran parte del campo solar
generan una gran serie de obstáculos. Este tipo de fluido ya se encuentra en
experimentación desde 1987 en España en la planta experimental DISS (Direct Solar
Steam) de la Plataforma Solar de Almería (PSA) (Guía técnica de la energía solar
termoelectrica, 2012)
A continuación se presentan las principales ventajas y desventajas de este fluido
(Muñoz, 2008), (Guía técnica de la energía solar termoelectrica, 2012), (Zarza E. ,
Generación directa de vapor con colectores solares cilindro parabólicos Proyecto
(DISS), 2003)
VENTAJAS
Es benigno medioambientalmente hablando ya que se trata de agua, no existe
riesgo de incendios, contaminación por derrame del fluido en caso de fugas.
Menor punto de congelación (0°C)
Alto coeficiente de película que se genera con el cambio de fase y su alto
calor de vaporización.
DESVENTAJAS
Necesidad de disponer de un sistema especial de almacenamiento térmico
mediante calor latente (cambio de fase).
Falta de refrigeración por ausencia de fase líquida en la superficie refrigerada
que evacúe de forma eficiente la energía térmica.
Se puede romper el conducto por formación de excesivas tensiones térmicas.
Se puede tener problemas de corrosión debido a infiltraciones de aire en el
condensador.
51
3.6 GASES A PRESION
En el año 2007 se construyó en la Plataforma Solar de Almería (PSA) una planta
experimental para el estudio de la viabilidad técnica de gases a presión (CO2, N2,
etc.) como fluidos de trabajo para concentradores de foco lineal como son los
captadores cilindro parabólicos y los concentradores lineales de Fresnel, los
experimentos realizados en la PSA durante los últimos años con CO2 a presiones del
orden de 50 bar, han puesto de manifiesto la viabilidad técnica de esta opción
(Rodríguez – García et al., 2009), pero es necesario aún determinar la viabilidad
comercial, debido a la mayor caída de presión en las tuberías cuando el fluido de
trabajo es un gas obliga a adoptar diseños modulares para el campo solar, lo cual
podría aumentar su costo (Guía técnica de la energía solar termoelectrica, 2012).
La idea de utilizar gas como fluido caloportador siempre se ha restringido al
campo nuclear, estos fluidos tienen como ventaja la estabilidad térmica en un amplio
rango de temperaturas de trabajo, lo que ayuda a combatir problemas de corrosión,
aunque no son eliminados totalmente.
3.7 ANÁLISIS COMPARATIVO ENTRE FLUIDOS
A continuación se presenta comparaciones entre los fluidos mencionados
anteriormente para determinar las principales ventajas y desventajas que se pueden
obtener entre ellos.
3.7.1 FLUIDO TÉRMICO EN COMPARACIÓN CON EL AGUA
Las ventajas más evidentes del uso de un fluido térmico en comparación con el agua,
son:
Temperaturas de operación altas, hasta 300°C a presión atmosférica.
Fácil ajuste de la temperatura de funcionamiento.
No es necesario ningún equipo de pre-tratamiento o mantenimiento de agua
de alimentación a calderas.
No hay pérdida de calor debido a la condensación, y por consiguiente alta
eficiencia.
52
No hay riesgo de corrosión.
Bajos costes de mantenimiento.
Funcionamiento silencioso, sin trazos de vapor o ruido vapor flash -
condensado.
Mucho más fácil de manejar.
Entre las principales desventajas del uso de aceite térmico frente al agua están:
Capacidad de calor muy alta en movimiento, que requiere de bombas
recirculadoras y válvulas especiales, así como un alto grado de aislamiento
térmico.
Degradación con el tiempo del aceite térmico. No deben existir por ningún
motivo fugas de aceite térmico.
Peligro de fuego, contaminación y envenenamiento.
Costo alto del aceite térmico.
Control excesivo necesario del aceite térmico (degradación).
3.7.2 ACEITE SINTÉTICO EN COMPARACIÓN CON EL ACEITE
MINERAL
Comparando el aceite sintético con el mineral, el primero brinda estabilidad
térmica más elevada (cercana a los 400°C), particularmente en el rango superior de
temperatura de uso y una mejora significativa de bombeabilidad en temperaturas
bajas. (Guía técnica de la energía solar termoelectrica, 2012), mientras que los
aceites minerales pueden llegar a soportar temperaturas de hasta 320°C, sus
prestaciones tienden a ser menores que los aceites sintéticos. Para plantas
termosolares que se encuentran en operación, uno de los limitantes es el fluido
térmico que actualmente es de aproximadamente 400°C, si se llegara a trabajar a
temperaturas superiores a esta el aceite se oxidaría.
53
3.7.3 ACEITE SINTÉTICO EN COMPARACIÓN CON OTROS FLUIDOS
En la tabla N. 16 se presenta la comparación de los fluidos de trabajo mencionados
en el apartado anterior respecto al aceite térmico.
Tabla 16
Comparación de diversos fluidos de trabajo alternativos al aceite térmico
FLUIDO VENTAJAS SOBRE EL ACEITE DESVENTAJA SOBRE EL ACEITE
Sales
Fundidas
Temperatura de vapor más alta altas temperaturas de cristalización
(>125C)
Sin riesgo de contaminación o incendio diseño de campo solar más complejo
mejor almacenamiento térmico mayores consumos
Generación
Directa de
Vapor
diseño simple de la planta falta de un almacenamiento térmico
adecuado
temperatura de vapor más alta sistema de control del campo solar más
complejo
sin riesgo de contaminación o incendio mayor presión en el campo solar
Gases a
Presión
temperatura de vapor más alta baja refrigeración de los tubos
receptores
se mejora el sistema de almacenamiento
térmico
sistema de control del campo solar más
complejo
sin riesgo de contaminación o incendio mayor presión en el campo solar.
Fuente: (Guía técnica de la energía solar termoelectrica, 2012)
3.7.4 AGUA – VAPOR EN COMPARACIÓN CON FLUIDO TÉRMICO
Entre las principales ventajas que se pueden tener al utilizar la generación directa
de vapor (Agua – vapor) respecto al fluido HTF (Rivas, 2011), se tiene:
Desde el punto de vista medioambiental, ya que no es inflamable y es
biodegradable.
54
Aumenta el rendimiento del ciclo debido al aumento de temperatura máxima
de trabajo del bloque de potencia, el sistema HTF se encuentra limitado a una
temperatura de operación aproximada de los 400C, en ningún caso superior.
Se reduce el tamaño del campo solar para una misma capacidad de
generación, ya que desaparece el intercambiador de calor aceite térmico –
agua, y se reduce también el costo de inversión.
Se simplifica el esquema de la planta, ya que además de eliminar el
intercambiador de calor aceite térmico – agua, se eliminan también los
sistemas auxiliares asociados al sistema de aceite.
Disminuye el costo de operación y mantenimiento.
Entre las desventajas que se tiene del sistema Agua – vapor frente al aceite térmico
están:
Tuberías, accesorios, y válvulas mucho más robustos en todo el campo solar
debido a que se trabaja con altas presiones, lo que representa altos costos de
inversión.
Mantener mecanismos de protección contra la congelación en tubos
absorbentes cuando las temperaturas ambientales sean negativas.
Mantener caudales medios o altos de agua circulando por los tubos
absorbentes para evitar tener régimen estratificado de flujo en la zona
evaporativa.
Sistemas de control más complejos y costosos.
Falta de sistema de almacenamiento térmico adecuado.
3.8 SELECCIÓN DEL ACEITE TÉRMICO
Por lo mencionado en el apartado anterior, las sales fundidas quedan descartadas
por su alto punto de fusión, valor que supera los 200ºC que es prácticamente la
temperatura promedio de funcionamiento que se ha planteado para esta
investigación, además no está disponible en el país y requiere de calentamiento
auxiliar.
55
De igual forma se tiene con el sodio líquido, gases a presión, y agua – vapor, para
este proyecto en concreto tampoco son viables debido que se encuentran en etapa de
investigación en pequeños campos termosolares implementadas, además que el
prototipo de investigación es un una micro central compuesta únicamente por 18
colectores.
Las alternativas que quedan son el agua y el aceite térmico, de estas dos
alternativas descartamos al agua, debido a su alta presión que presenta en
temperaturas superiores a los 200ºC, lo que implica tener sistemas de tubería,
válvulas y protecciones más robustas además de realizar un tratamiento al agua para
minimizar la dureza que habitualmente suele tener y que causa corrosión.
Por tal motivo para este proyecto de investigación la mejor alternativa es el fluido
térmico, y dentro de estas son los aceites minerales de transferencia de calor
(Texatherm 46 o el Shell termia Oil B), ya que estos tienen puntos de fusión (-12ºC)
inferiores al therminol VP1 (12ºC) y al Dowtherm que son los que frecuentemente
se utilizan para plantas termosolares de algunos megavatios de potencia
(generalmente 50MW).
Los aceites minerales para transferencia de calor mencionados en el apartado
3.2.2 se encuentran disponibles en el país, además este tipo de fluidos son
empleados en las calderas que funcionan con fluido térmico, ya que actualmente el
aceite térmico es la alternativa tecnológica más apropiada para todo tipo de industria
donde se precise del calentamiento indirecto, además no exige un nivel alto de
mantenimiento como sucede con las calderas de vapor. Se trata de equipos que
trabajan sin presión y sin agua, lo que evita gran parte de la problemática del vapor:
fugas, corrosiones, tratamiento de agua, etc., y que conllevan a un elevado grado de
mantenimiento.
Adicionalmente, la durabilidad de los equipos y de las instalaciones es
prácticamente ilimitada, pudiéndose aplicar en todo tipo de sectores: químico,
petroquímico, alimentario, hotelero, hospitalario, plástico, farmacéutico, etc.
56
Originalmente los primeros procesos que usaron aceite térmico fueron aquellos
que requerían elevadas temperaturas de calentamiento. Dicho de otro modo, aquellos
procesos donde la aplicación del vapor no representaba una alternativa cómoda. Es
así que ahora la industria moderna utiliza estos equipos incluso en los casos en que
las temperaturas son relativamente bajas (alrededor de los 100ºC).
Es importante considerar que la temperatura del proceso es la temperatura
promedio del líquido térmico, pero en las paredes del calentador de aceite, donde el
aceite viaja en el interior de tubos que del otro lado están expuestos a la flama del
quemador o en este caso a la radiación solar, se forma una pequeña capa de aceite
que se encuentra a una temperatura mayor a la promedio, denominada temperatura de
film. La selección correcta del aceite térmico, se debe hacer de acuerdo a la
temperatura máxima de film y no de acuerdo a la promedio.
3.9 ACEITES VEGETALES COMO ALTERNATIVA AL FLUIDO DE
TRABAJO
En la presente investigación se busca determinar también otra alternativa a la
mencionada en la selección del fluido de trabajo, por esta razón se desarrolla análisis
de parámetros y ensayos utilizando aceites vegetales comestibles, dentro de los
aceites vegetales se trabaja con tres tipos de aceites comestibles que se encuentran
comercialmente en el mercado como son aceite de girasol, aceite vivi soya y aceite
sabrosón.
En el siguiente capítulo se presentan los ensayos realizados a los aceites
comestibles mencionados obteniendo valores de presión a diferentes temperaturas, se
realiza la tabulación de datos y se generan las gráficas respectivas.
57
CAPÍTULO 4
ANÁLISIS DE RESULTADOS CON ACEITES
VEGETALES COMESTIBLES
El presente capítulo corresponde al estudio de tres aceites vegetales comestibles
que se utilizan en la cocina para las distintas actividades de preparación de alimentos,
estos ensayos se los realiza para determinar su viabilidad de utilizarlos como fluido
térmico, y luego realizar la comparación con un aceite sintético que cumplen con la
función caloportadora mencionados en el capítulo 3 (Texatherm y Shell termia Oil
B) y que fueron seleccionados como las mejores alternativas para este caso
específico.
La oferta actual de aceites de cocina en el país es homogénea en su producción y
procesos, lo único que los diferencia es la tecnología y materias primas que utilizan
cada uno de ellos. Existen diferentes empresas que ofrecen en el mercado nacional
aceites de cocina, y cada proveedor cuenta con varios tipos de aceites y
presentaciones de acuerdo a la materia prima utilizada, los precios de venta son muy
similares entre ellos y se encuentran en valores promedio de 2,50 dólares el litro de
aceite, es importante mencionar que mientras el envase es más pequeño el precio
aumenta, es decir si se pretende comprar la presentaciones de 500ml, el precio de
este bordea 1,60 dólares, de igual manera sucede si el envase que se compra es de 2
litros, el precio está alrededor de 4,50 dólares.
A continuación se presenta en el siguiente cuadro, los aceites fabricados por tres
diferentes proveedores con sus productos que tienen mayor disponibilidad en el país.
58
Tabla 17
Productores de aceites de cocina
Fabricante Producto
DANEC Aceite el cocinero
Aceite el cocinero light
Aceite vivi girasol
Aceite vivi canola
Aceite palma de oro
Aceite mazorca de oro
Aceite vivi soya
INDUSTRIAS
ALES
Aceite alesoya
Aceite alesol vitaminas
Aceite duque de alba girasol
Aceite alesoya olivado
Aceite alesol
Aceite dos coronas
LA FABRIL
Aceite Luigi
Aceite girasol
Aceite la favorita light
Aceite la favorita
Aceite la perla
Aceite criollo
Aceite sabrosón
Los aceites con los que se van a realizar los ensayos son aceite “Sabrosón” y aceite
de “Girasol” de la empresa Lafabril, y el aceite “Vivi Soya” del fabricante Danec.
4.1 PROTOTIPO PARA REALIZACIÓN DE PRUEBAS
Con la finalidad de determinar el comportamiento de los aceites a diferentes
temperaturas, se construyó un prototipo para este fin, en este se realizaron diferentes
pruebas de calentamiento, en la siguiente figura se muestra un bosquejo del equipo
construido.
59
Figura 36. Bosquejo de equipo calentador de muestras de aceite.
El equipo construido consta de:
Un cilindro en acero inoxidable de 1 litro de capacidad, realizado en este
material para evitar contaminación del aceite con el material del cilindro, en
la parte superior cuenta con un orificio para el llenado del aceite a calentar, y
en la parte inferior cuenta con una válvula de drenaje para poder vaciar el
aceite utilizado.
Manómetro para medir la presión del aceite dentro del cilindro que se
encuentra en calentamiento.
Medidor de temperatura, es un controlador digital marca “Camsco” con su
respectiva termocupla tipo J, que permite visualizar la temperatura en una
pantalla LCD.
Dos mecheros bunsen, utilizados para calentar al cilindro que contiene dentro
al aceite.
Trípode, es un aparato de tres patas de base circular o triangular, utilizado
como herramienta de fijación o de sostén.
60
Malla de amianto, este instrumento se coloca sobre el trípode para que a su
vez sea este quien permita asentar el recipiente a calentar, esta malla permite
que el calor se distribuya de forma uniforme sobre la base del recipiente
En la siguiente figura se muestra el prototipo construido.
Figura 37. Equipo construido para el calentamiento de aceite.
4.2 PROCEDIMIENTO PARA ANÁLISIS DE TEMPERATURA Y PRESIÓN
El procedimiento realizado para el calentamiento de las muestras de aceite, es el
descrito a continuación:
a) Se coloca la muestra a ser analizada en una probeta con capacidad de 500ml.
b) Se cierra la válvula de drenaje del prototipo calentador de muestras, ubicado
en la parte inferior.
c) Se vierte la muestra de la probeta de 500ml dentro del cilindro del prototipo
calentador, a través del orificio para llenado.
d) Se cierra el orificio de llenado con un tapón que contiene la termocupla, de tal
forma que el cilindro queda sellado herméticamente y el instrumento de
medición de temperatura también se encuentra en posición.
61
e) Se coloca la malla de amianto sobre el trípode.
f) Se coloca el cilindro con la muestra de aceite sobre la malla de amianto.
g) Se colocan los dos mecheros bunsen bajo la malla de amianto, en medio del
trípode y se encienden para iniciar la generación de calor al cilindro.
h) Se toman mediciones de temperatura inicial que corresponde a la temperatura
ambiente.
i) Se realiza mediciones de presión con intervalos de 1 psi, y se anotan los
valores de temperatura correspondientes. Este procedimiento se lo realiza
hasta llegar a temperaturas cercanas a 300°C.
j) Se procede a apagar los mecheros bunsen y se permite que la muestra se
enfríe.
k) Se destapa el orificio de llenado de aceite para eliminar la presión negativa
que se encuentra en el interior del cilindró debido al enfriamiento del aceite.
l) Una vez que el aceite se encuentra a la temperatura ambiente se realiza
mediciones de densidad.
m) Se vacía el cilindro en un recipiente de 500ml.
n) Se limpia el cilindro con tal cuidado de no permitir que quede material
sobrante dentro del cilindro para evitar que afecte a las condiciones de la
siguiente muestra que va a ser ensayada.
Este procedimiento se lo realizó con los tres aceites vegetales
4.3 RESULTADOS OBTENIDOS DEL ANÁLISIS DE CALENTAMIENTO
Luego de realizar el procedimiento descrito anteriormente, se presenta a
continuación los resultados obtenidos para cada aceite utilizado, las tablas generadas
corresponden a los datos promedios recolectados durante el primero y segundo mes
de pruebas de calentamiento, y finalmente se generan las curvas con estos datos
obtenidos.
62
4.3.1 ACEITE MARCA “SABROSÓN”
Este aceite pertenece a la empresa fabricante La Fabril, cuyas características
según el fabricante tienen excelente estabilidad frente al calor, no contiene ácidos
grasos "trans". Está formado por una mezcla de aceite de soya y oleína de palma,
viene en una variedad de presentaciones:
Funda de 1/2 litro / Caja x 24 unidades.
Funda de 1 litro / Caja x 12 unidades.
Botella 900 ml / Caja x 15 unidades.
Botella 1 litro / Caja x 15 unidades.
Garrafa de 3.784 litros / Caja x 6 unidades.
Bidón de 20 litros.
Figura 38. Presentación en funda de ½ litro de aceite “Sabrosón”.
Los datos que se presentan a continuación tablas 2 y 3 pertenecen al promedio del
calentamiento del aceite vegetal “Sabrosón” correspondiente al primer y segundo
mes respectivamente, los datos obtenidos durante todo el tiempo de ensayos se
presentan en las siguientes tablas.
63
Tabla 18
Presión a diferentes temperaturas del aceite sabrosón, primer mes de calentamiento.
DIA 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
P(PSI) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C)
0 20 20 21 21 20 20 21 21 20 20
2 46 48 52 51 52 50 48 52 53 52
3 76 79 80 78 79 83 80 80 82 84
4 106 106 110 115 115 112 112 110 110 112
5 124 126 132 130 136 140 136 130 134 134
6 148 150 150 152 154 150 152 156 156 152
7 170 174 174 172 180 182 178 178 176 182
8 194 200 198 204 200 200 202 206 210 202
9 228 230 232 228 234 230 238 232 236 238
10 268 270 270 274 270 272 276 272 276 274
11 285 290 288 292 292 290 288 290 290 288
12 300 304 300 302 304 302 306 304 306 302
DIA 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
P(PSI) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C)
0 19 20 19 20 21 20 21 20 19 19
2 51 53 50 51 50 53 48 48 47 52
3 86 84 80 80 82 84 83 85 80 84
4 115 118 115 114 116 110 110 112 112 110
5 130 136 138 138 134 136 138 134 134 136
6 154 156 154 156 158 156 158 156 158 156
7 182 180 178 178 174 176 176 180 178 178
8 204 206 210 210 204 206 210 204 206 210
9 240 238 240 238 238 242 238 244 238 238
10 278 276 274 278 274 274 276 278 278 276
11 286 290 288 288 292 290 292 290 294 296
12 304 300 304 300 302 304 306 306 304 306
DIA 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
P(PSI) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C)
0 20 20 19 20 19 21 21 20 20 19
2 52 50 51 54 50 48 48 46 52 52
3 86 84 82 84 86 84 86 82 84 86
4 112 115 115 114 112 112 110 112 114 116
5 138 140 134 134 136 138 136 136 130 134
6 158 160 158 160 156 160 156 156 158 160
7 176 176 174 180 180 178 176 180 180 180
8 206 210 208 208 206 210 206 208 210 208
9 240 242 246 240 240 242 244 244 246 246
10 276 274 274 276 274 274 272 276 276 278
11 290 290 288 294 292 292 294 288 290 294
12 304 302 302 304 306 306 304 306 304 304
64
Tabla 19
Presión a diferentes temperaturas del aceite sabrosón, segundo mes de calentamiento.
DIA 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
P(PSI) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C)
0 20 20 21 20 20 19 19 20 21 20
2 50 54 56 52 52 56 50 52 51 55
3 80 86 84 82 88 90 84 90 90 86
4 110 116 118 120 118 120 120 122 126 128
5 146 150 150 148 150 148 150 152 148 150
6 178 188 186 182 190 182 180 182 184 182
7 190 200 204 208 210 208 214 220 224 222
8 240 244 240 246 248 254 250 254 250 252
9 274 276 274 278 280 276 280 274 276 274
10 294 296 296 302 298 304 308 306 310 314
11 316 310 320 324 326 320 322 326 324 326
12 330 330 326 330 334 338 336 336 332 332
DIA 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
P(PSI) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C)
0 20 21 20 20 19 19 20 19 21 20
2 52 56 52 53 55 56 56 50 55 51
3 84 86 90 88 94 94 92 90 96 94
4 128 126 124 126 126 128 132 130 130 130
5 148 150 148 148 150 152 152 150 144 160
6 194 196 188 186 186 182 180 178 184 184
7 224 226 220 218 222 224 228 228 224 226
8 254 250 258 260 258 256 258 260 256 254
9 274 280 276 276 278 276 279 280 278 280
10 310 308 309 310 310 308 306 308 310 310
11 328 318 318 324 326 324 328 330 328 326
12 330 328 328 328 330 334 336 340 340 338
DIA 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
P(PSI) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C)
0 19 18 20 19 19 21 20 21 20 20
2 54 54 56 60 60 58 56 55 58 58
3 90 92 88 96 96 90 94 96 98 98
4 128 128 130 130 126 128 130 130 126 130
5 150 154 146 150 162 150 152 160 162 164
6 180 178 194 188 188 190 186 190 192 188
7 218 216 218 220 222 224 218 216 224 224
8 254 250 258 260 258 260 262 258 254 254
9 278 280 276 278 278 270 278 284 280 284
10 304 309 310 314 312 310 312 310 314 312
11 330 330 328 326 322 330 322 320 318 324
12 338 336 334 336 334 338 334 336 336 338
65
Tabla 20
Promedio de Presión a diferentes temperaturas del aceite sabrosón, primer mes de
calentamiento.
TEMPERATURA °C PRESION PSI
20 0
50 2
82 3
112 4
134 5
156 6
180 7
206 8
238 9
275 10
290 11
304 12
Tabla 21
Promedio de presión a diferentes temperaturas del aceite sabrosón, segundo mes de
calentamiento.
TEMPERATURA °C PRESION PSI
20 0
54 2
90 3
126 4
152 5
186 6
218 7
254 8
278 9
308 10
324 11
334 12
338 13
348 14
De las tablas anteriores se genera la curva de comportamiento de la presión del
aceite sabrosón en función de la temperatura, se realizó dos tablas promedios de
66
calentamiento para observar si la variación de presión que ejerce el aceite es
directamente proporcional a la temperatura y al número de calentamientos.
Figura 39. Variación de la presión debido al aumento de temperatura en el aceite marca “Sabrosón”.
En el siguiente gráfico se presenta una comparación del aceite antes y después de las
pruebas relizadas.
Figura 40. Aceite sabrosón antes y después del calentamiento.
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0 100 200 300 400
PR
ES
ION
(p
si)
Temperatura (°C)
PRIMER
CALENTAMIENTO
SEGUNDO
CALENTAMIENTO
67
4.3.2 ACEITE DE GIRASOL
Este aceite pertenece a la empresa fabricante La Fabril, cuyas características según
el fabricante son aceite de color claro y brillante, rico en ácidos grasos poli –
insaturados, contiene aceites vegetales como el Omega 6, no contiene aditivos ni
preservantes, no contiene ácidos grasos "trans".
Viene en una variedad de presentaciones:
Mini sol / 150 ml
Doypack / 250ml
Botella de 1/2 litro / Caja x 30 unidades.
Botella de 1 litro / Caja x 12 unidades.
Botella de 2 litros / Caja x 8 unidades.
Figura 41. Aceite Girasol.
Los datos que se presentan a continuación corresponden al promedio del
calentamiento del aceite vegetal “Girasol” correspondiente al primer mes, los datos
obtenidos durante todo el tiempo de ensayos se presentan en las siguientes tablas.
68
Tabla 22
Presión a diferentes temperaturas del aceite Girasol, primer mes de calentamiento.
DIA 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
P(PSI) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C)
0 21 21 21 21 21 21 20 21 21 21
2 54 55 55 54 55 52 54 54 55 54
3 84 80 80 80 82 82 83 84 85 85
4 112 106 106 110 115 115 112 112 110 110
5 140 136 138 138 138 136 140 136 136 142
6 158 158 159 156 158 154 158 158 160 160
7 178 176 178 174 178 180 182 178 178 176
8 206 194 200 198 204 200 200 202 206 210
9 226 224 222 226 228 226 228 228 224 224
10 256 258 260 256 256 254 254 256 252 254
11 276 274 274 276 278 278 276 278 280 280
12 290 290 294 290 292 288 292 296 294 296
DIA 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
P(PSI) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C)
0 21 21 20 21 20 21 21 21 20 20
2 52 54 55 54 51 54 53 50 52 55
3 84 86 84 83 82 82 84 85 85 84
4 112 115 118 115 114 116 110 110 112 112
5 140 142 142 138 140 142 142 138 142 140
6 158 156 158 158 156 158 156 158 156 158
7 182 182 180 178 178 174 176 176 180 178
8 202 204 206 210 210 204 206 210 204 206
9 226 228 226 224 224 226 228 228 230 230
10 256 258 258 256 254 254 254 256 258 258
11 278 276 270 278 278 282 280 282 280 274
12 292 290 288 294 288 288 286 290 288 294
DIA 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
P(PSI) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C)
0 20 20 20 20 20 20 21 21 20 20
2 52 52 56 52 56 50 52 54 55 55
3 84 86 83 82 84 86 84 86 85 84
4 110 112 115 115 114 112 112 110 112 114
5 138 140 140 138 142 140 140 142 140 140
6 156 158 160 158 160 156 160 156 156 158
7 178 176 176 174 180 180 178 176 180 180
8 210 206 210 208 208 206 210 206 208 210
9 224 224 226 224 226 226 224 228 225 224
10 256 256 254 254 256 254 254 252 256 256
11 276 274 276 274 274 272 272 274 278 274
12 296 292 290 288 288 286 286 290 288 286
69
Tabla 23
Presión a diferentes temperaturas del aceite Girasol, segundo mes de calentamiento.
DIA 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
P(PSI) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C)
0 22 23 23 23 22 23 23 23 23 22
2 54 56 56 58 58 58 56 58 59 60
3 90 92 92 94 94 96 94 94 95 95
4 128 130 126 130 130 125 130 124 128 129
5 150 156 158 158 158 156 150 156 156 152
6 170 176 179 176 178 174 178 178 180 180
7 200 206 208 204 208 200 202 208 202 202
8 226 224 230 228 228 230 230 232 226 230
9 256 254 262 260 258 260 258 258 254 254
10 286 288 280 286 286 284 284 286 282 284
11 296 294 294 296 298 298 296 298 300 290
12 310 310 308 310 308 308 308 306 304 306
DIA 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
P(PSI) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C)
0 23 23 23 23 23 22 23 23 22 23
2 60 60 58 58 58 59 60 60 58 58
3 94 96 94 93 92 92 94 95 95 94
4 130 125 128 128 130 126 126 130 122 124
5 150 152 152 158 160 162 162 158 162 160
6 178 176 178 178 180 178 176 178 180 178
7 202 206 204 206 208 204 206 206 200 208
8 232 224 226 230 230 224 226 230 224 226
9 256 258 262 254 254 262 258 258 260 260
10 286 288 288 286 284 284 284 286 288 288
11 298 296 300 298 298 298 300 302 300 300
12 310 308 308 304 308 308 306 310 308 304
DIA 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
P(PSI) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C)
0 22 23 22 23 22 23 23 22 22 22
2 56 60 60 60 58 58 56 54 58 58
3 94 96 93 92 94 96 94 96 95 94
4 124 122 125 125 130 130 132 132 128 130
5 158 160 160 168 160 160 162 162 160 160
6 176 178 180 178 180 176 180 176 176 178
7 208 206 206 204 200 200 208 206 200 200
8 232 226 230 228 228 226 230 226 228 230
9 254 254 260 256 256 260 260 258 255 258
10 286 280 284 280 286 280 284 282 280 280
11 296 294 296 300 294 298 298 300 298 300
12 306 308 310 308 308 306 306 310 308 306
70
Tabla 24
Presión a diferentes temperaturas del aceite girasol, primer mes de calentamiento.
TEMPERATURA °C PRESION PSI
21 0
54 2
84 3
112 4
140 5
158 6
178 7
206 8
226 9
256 10
276 11
290 12
302 13
En la siguiente tabla se muestra los datos obtenidos durante el segundo mes de
ensayos
Tabla 25
Presión a diferentes temperaturas del aceite Girasol, segundo mes de calentamiento.
TEMPERATURA °C PRESION PSI
23 0
58 2
94 3
128 4
158 5
178 6
204 7
228 8
258 9
284 10
298 11
308 12
314 13
71
De las tablas anteriores se genera la curva de comportamiento de la presión del aceite
de Girasol en función de la temperatura.
Figura 42. Variación de la presión debido al aumento de temperatura en el aceite de Girasol.
En el siguiente gráfico se presenta una comparación del aceite antes y después de las
pruebas relizadas.
Figura 43. Aceite Girasol antes y después del calentamiento.
0
2
4
6
8
10
12
14
0 100 200 300 400
PR
ES
ION
(p
si)
TEMPERATURA (°C)
PRIMER
CALENTAMI
ENTOSEGUNDO
CALENTAMI
ENTO
72
4.3.3 ACEITE VIVI SOYA
Este aceite pertenece a la empresa fabricante Danec, cuyas características según el
fabricante tienen excelente estabilidad frente al calor, no contiene ácidos grasos
"trans", composición: aceite vegetal comestible de soya y antioxidantes TBHQ
(terbunil hidroquinoa). Viene en una variedad de presentaciones:
Botella de 1/2 litro / Caja x 24 unidades.
Botella de 1 litro / Caja x 12 unidades.
Botella de 1.8 litro / Caja x 6 unidades.
Figura 44. Aceite Vivi soya.
Los datos presentados en la Tabla N.6 corresponden al promedio del calentamiento
del aceite vegetal “Vivi Soya” tomados el primer mes de ensayos, y los datos
presentados en la Tabla N.7 corresponden al promedio del calentamiento obtenidos
durante el segundo mes de ensayos, todos los valores obtenidos se presentan en las
siguientes tablas.
73
Tabla 26
Presión a diferentes temperaturas del aceite Vivi soya, primer mes de calentamiento.
DIA 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
P(PSI) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C)
0 18 18 19 19 18 18 19 18 18 18
2 44 45 45 44 45 42 44 44 45 44
3 72 70 70 70 72 72 73 74 75 75
4 102 106 96 100 105 105 102 102 100 100
5 122 126 128 128 128 126 130 126 126 122
6 140 138 139 136 138 134 138 138 140 140
7 152 146 148 154 158 160 152 148 148 146
8 164 164 160 168 164 170 170 162 166 160
9 176 174 178 176 178 176 178 178 174 174
10 190 188 190 196 196 194 194 196 192 194
11 200 204 204 206 202 198 196 198 200 198
12 212 211 214 214 212 214 212 216 214 216
DIA 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
P(PSI) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C)
0 19 19 18 18 18 18 18 18 19 20
2 42 44 45 44 41 44 43 40 42 45
3 74 70 74 73 72 72 70 75 70 74
4 102 100 98 95 94 106 100 100 102 102
5 120 122 122 125 122 122 106 120 122 118
6 142 142 144 142 146 144 140 138 146 146
7 152 152 152 150 148 154 156 156 160 158
8 162 164 166 170 170 164 166 170 164 166
9 176 178 178 174 176 176 178 178 180 180
10 196 198 198 190 184 184 184 186 188 188
11 198 196 200 198 198 194 200 202 200 204
12 201 210 210 214 208 208 208 210 208 214
DIA 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
P(PSI) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C)
0 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18
2 42 42 46 42 46 41 42 44 45 45
3 74 70 73 72 74 70 70 72 75 72
4 104 102 104 104 104 102 102 100 102 104
5 118 120 124 120 122 120 120 122 120 120
6 138 138 140 138 140 136 140 140 136 136
7 158 158 148 154 150 150 148 150 150 150
8 160 166 160 168 162 166 160 160 158 160
9 174 174 176 174 180 180 174 178 175 146
10 186 186 184 184 186 184 186 190 180 200
11 200 202 206 204 204 202 202 204 198 194
12 216 212 210 218 218 218 216 210 218 206
74
Tabla 27
Presión a diferentes temperaturas del aceite Vivi soya, segundo mes de
calentamiento.
DIA 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
P(PSI) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C)
0 23 23 23 22 23 23 22 22 23 23
2 38 35 35 34 38 42 38 38 40 38
3 62 60 60 60 62 62 63 64 65 65
4 84 86 86 90 85 85 82 82 80 80
5 108 106 108 108 108 106 110 106 106 112
6 120 118 119 120 120 124 126 122 120 120
7 138 136 138 134 138 140 142 138 138 136
8 150 151 150 148 148 150 150 152 149 150
9 162 164 166 166 160 162 164 166 154 154
10 170 168 170 166 166 164 164 168 170 170
11 186 184 184 186 188 188 186 188 180 188
12 194 194 194 192 192 194 192 196 194 196
DIA 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
P(PSI) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C)
0 23 23 22 23 22 23 23 22 23 23
2 36 36 40 40 36 36 38 38 40 38
3 64 60 65 63 62 62 60 65 60 64
4 82 80 78 78 82 86 86 88 82 88
5 110 112 112 105 110 110 106 110 104 108
6 122 122 124 122 126 124 120 121 120 120
7 142 140 142 140 138 134 136 136 136 138
8 152 154 156 150 156 154 152 150 150 150
9 156 158 158 154 160 162 158 162 164 160
10 176 178 178 170 174 174 174 176 178 170
11 178 186 188 188 188 184 190 190 188 188
12 191 190 190 194 198 198 198 200 198 196
DIA 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
P(PSI) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C)
0 23 23 23 23 23 23 23 22 23 23
2 40 38 38 40 36 39 42 38 40 35
3 64 60 63 62 64 60 60 62 65 62
4 84 84 84 84 84 82 82 86 88 86
5 108 110 114 110 104 110 110 108 104 106
6 118 118 120 118 118 116 120 120 116 116
7 138 138 138 134 140 140 138 138 140 136
8 152 148 148 146 150 146 150 150 148 150
9 164 164 166 164 160 160 164 168 168 166
10 166 166 174 174 171 164 166 168 170 170
11 180 188 186 184 184 182 182 184 188 184
12 196 192 196 196 198 198 196 190 190 190
75
Tabla 28
Presión a diferentes temperaturas del aceite Vivi soya, primer calentamiento.
TEMPERATURA °C PRESION PSI
18 0
44 2
72 3
102 4
122 5
140 6
152 7
164 8
176 9
190 10
200 11
212 12
224 13
244 14
256 15
266 16
284 17
292 18
Tabla 29
Presión a diferentes temperaturas del aceite vivi soya, segundo mes de calentamiento.
TEMPERATURA °C PRESION PSI
23 0
38 2
62 3
84 4
108 5
120 6
138 7
150 8
162 9
170 10
186 11
194 12
204 13
220 14
237 15
252 16
270 17
278 18
290 19
76
De las tablas anteriores se genera la curva de comportamiento de la presión del aceite
Vivi Soya en función de la temperatura.
Figura 45. Variación de la presión debido al aumento de temperatura en el aceite de Vivi Soya.
En el siguiente gráfico se presenta una comparación del aceite antes y después de las
pruebas relizadas.
Figura 46. Aceite Vivi Soya antes y después del calentamiento.
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
0 100 200 300 400
PR
ES
ION
(p
si)
TEMPERATURA (°C)
PRIMER
CALENTAMIENTO
SEGUNDO
CALENTAMIENTO
77
4.3.4 ACEITE TEGRA ISO 68
Los Tegra synthetic compressor oils son lubricantes sintéticos para
compresor, formulados con fluidos a base de polialfaolefina (PAO) de la más alta
calidad, brinda excepcional estabilidad térmica y a la oxidación, esto genera larga
vida del lubricante en operaciones de alta temperatura, también genera
mantenimiento y tiempo de inactividad mínimos, lo que ayuda a promover largos
intervalos de servicio lo que puede minimizar los costos de operación (Chevron,
2011). En el Anexo N.7 se presenta mayor información sobre este fluido.
Tabla 30
Características típicas del aceite Tegra Iso 68
Grado ISO 68
Gravedad API 36.5
Viscosidad cinemática
cSt a 40°C 64.6
cSt a 100°C 10
Indice de viscosidad 139
Punto de inflamación, °C (°F) 252 (504)
Punto de escurrimiento, °C (°F) < -56 ( < -69 )
Punto de Ignición, °C (°F) 282 (540)
Fuente: (Chevron, 2011)
Tabla 31
Presión a diferentes temperaturas del aceite Tegra 68, primer mes de calentamiento.
TEMPERATURA °C PRESION PSI
20 0
54 2
84 3
112 4
136 5
156 6
174 7
202 8
222 9
238 10
262 11
274 12
78
En la siguiente tabla se muestra los datos obtenidos durante el segundo mes de
ensayos
Tabla 32
Presión a diferentes temperaturas del aceite Tegra 68, segundo mes de calentamiento.
TEMPERATURA °C PRESION PSI
20 0
52 2
82 3
92 4
102 5
110 6
148 7
168 8
188 9
206 10
228 11
242 12
De las tablas anteriores se genera la curva de comportamiento de la presión del
aceite Tegra 68 en función de la temperatura.
Figura 47. Variación de la presión debido al aumento de temperatura en el aceite Tegra 68.
0
5
10
15
20
25
0 100 200 300 400
PR
ES
ION
(p
si)
TEMPERATURA (°C)
PRIMER
CALENTAMIENTO
SEGUNDO
CALENTAMIENTO
79
En el siguiente gráfico se presenta una comparación del aceite antes y después de las
pruebas relizadas.
Figura 48. Aceite Tegra 68 antes y después del calentamiento.
4.4 CARACTERIZACIÓN DE RESULTADOS
Con los datos obtenidos y mostrados en las tablas anteriores de los aceites
comestibles y del aceite sintético, se generan las curvas de comportamiento de la
presión al variar la temperatura. En una misma gráfica se colocan las tres muestras
para que el análisis sea más fácil de entender visualmente, y de esta forma poder
plantear cuales tienen una tendencia parecida en el caso de haberlas, de igual forma
se puede ver rápidamente hasta que valores se mantiene similares las curvas.
80
Figura 49. Variación de la presión vs temperatura de los tres aceites comestibles y un aceite sintético
en el primer mes de calentamiento.
La gráfica indica que en el primer mes de calentamiento los cuatro aceites tienen
un comportamiento similar en cuanto a la variación de presión hasta la temperatura
cercana a los 120°C, superior a esta el aceite vivi soya presenta un aumento de
presión sobre los otros dos aceites comestibles y el sintético, a medida que se
incrementa la temperatura. Mientras que los otros aceites, mantienen sus
características muy similares en cuanto a presión hasta temperaturas cercanas a los
240°C, luego de esta se nota una ligera tendencia de subida de presión del aceite
Tegra 68 y seguido del aceite de girasol respecto al aceite sabrosón para las mismas
condiciones de temperatura.
En la siguiente gráfica se muestran las curvas generadas para el segundo mes de
calentamiento de los aceites.
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
0 100 200 300 400
PR
ES
ION
(p
si)
TEMPERATURA (°C)
TEGRA 68
ACEITE SABROSON
VIVE SOYA
GIRASOL
81
Figura 50. Variación de la presión vs temperatura de los tres aceites comestibles y un aceite sintético
en el segundo mes de calentamiento.
En la gráfica anterior correspondiente al segundo mes de calentamiento ya se
puede notar una marcada variación del aceite vivi soya y del aceite sintético respecto
a los otros dos aceites, prácticamente desde los 30°C se nota un aumento superior de
presión sobre el aceite vivi soya, no así en el aceite de girasol y sabrosón que
mantienen sus características similares hasta los 220°C, luego de lo cual se nota un
ligero incremento de la presión en el aceite de girasol respecto al aceite sabrosón
mientras se incrementa la temperatura. El aceite sintético a partir de los 100°C se
nota el aumento de presión respecto a los aceites sabrosón y girasol, teniendo una
tendencia similar al aceite vivi soya sobre esta temperatura. Esta condición ligera
de aumento de presión se mantiene hasta los 300°C, luego de esta temperatura se
nota que la presión del aceite de girasol empieza aumentar de forma más gradual
comparado con el aceite sabrosón.
Por lo mencionado respecto a las curvas obtenidas en las gráficas 5.11 y 5.12 se
realiza una curva adicional únicamente para los aceites de girasol y sabrosón que son
los que mantienen sus características similares, para obtener la ecuación de tendencia
polinómica.
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
0 100 200 300 400
Prs
ión
(p
si)
Teperatura °C
ACEITE TEGRA 68
ACEITE SABROSON
VIVE SOYA
ACEITE GIRASOL
82
Figura 51. Ecuaciones polinómicas de los aceites sabrosón y girasol.
Con las líneas de tendencia polinómicas graficadas y las ecuaciones generadas se
ve que sus valores son muy similares, y que el aceite sabrosón presenta ligera mejor
prestación de presión respecto a la temperatura comparado con el aceite de girasol.
4.5 ENSAYOS REALIZADOS EN LABORATORIO
Adicional a las pruebas realizadas con el prototipo construido, se realizaron
ensayos en un laboratorio, en el cual se procedió a realizar el calentamiento de los
aceites comestibles en un equipo denominado calentador con agitador magnético, los
equipos que se utilizaron para realizar estas pruebas fueron:
Calentador con agitador magnético
Balanza electrónica capacidad máxima 800g.
Enermeyer de 500ml de boro silicato.
Probeta de 250ml
Termo higrómetro
Termómetro de mercurio de -20°C a 360°C
y = 5E-07x3 - 0,0002x2 + 0,074x - 1,5067
R² = 0,9957
y = 3E-07x3 - 0,0001x2 + 0,0575x - 1,0498
R² = 0,9976
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0 50 100 150 200 250 300 350
ACIETE
SABROSON
ACEITE DE
GIRASOL
Polinómica
(ACIETE
SABROSON)
Polinómica
(ACEITE DE
GIRASOL)
83
Tapones de caucho
Medidor de densidad.
4.6 PROCEDIMIENTO REALIZADO EN LABORATORIO
Los ensayos realizados en laboratorio consistieron en calentar las muestras de
aceite durante dos horas y media cada una y determinar la temperatura alcanzada,
cambio de color de las muestras, cambio de densidades antes y después de ser
calentadas, el procedimiento realizado fue el siguiente:
a) Se coloca la muestra a ser analizada en una probeta con capacidad de 250ml
para medir su densidad con un equipo que va de 0.7 a 1.1, a 20°C.
b) Se coloca el Erlenmeyer de 500ml sobre la balanza y se encera, posterior a
esto se vierte 400g de la muestra a ser calentada.
c) Se coloca el termómetro de mercurio en el tapón de caucho (previamente
realizado un orificio para el termómetro) que es de la medida del Erlenmeyer
de ensayo.
d) Se coloca el Erlenmeyer de ensayo con el tapón y el termómetro de mercurio
ya acoplado sobre el calentador con agitador magnético
e) Se registra la temperatura y humedad relativa del ambiente.
f) Se enciende el calentador magnético, se gradúa el calentador en 370 y el
agitador en 1 (escala de 1 a 10) que controla la velocidad de giro del agitador
magnético.
g) Se deja la muestra que se caliente alrededor de dos horas y media, tiempo en
el cual la temperatura alcanza los 220°C y se mantiene.
h) Luego de este tiempo se retira la muestra de ensayo del calentador para que
se enfríe, y se procede a realizar el mismo procedimiento con las siguientes
muestras.
i) Al día siguiente las muestras se encuentran nuevamente a temperatura
ambiente y se reinicia con el procedimiento desde el paso a.
84
Con este procedimiento lo que se pretende obtener son medidas de densidad de
las muestras antes y después de ser calentadas, para analizar su comportamiento con
los constantes calentamientos al que se encuentran sometidos los aceites.
En los siguientes gráficos se presentan los equipos utilizados.
Figura 52. Equipos de laboratorio
En esta figura se puede ver a la izquierda la balanza electrónica, en el centro el
medidor de temperatura y humedad junto con el cronómetro, y a la derecha el
calentador con agitador magnético y sobre el la muestra de aceite en el Erlenmeyer
de 500ml sujetando el tapón de caucho y el termómetro de mercurio.
85
Figura 53. Pesaje de muestra de aceite a ser calentada.
4.7 RESULTADOS OBTENIDOS EN LABORATORIO
En la siguiente tabla se muestran los datos obtenidos de densidad con las
muestras de los tres aceites, este procedimiento se lo realizó durante 30 días para
analizar la variación que puede existir con el calentamiento diario de las muestras,
para este caso se realizó el calentamiento del aceite durante dos horas y media cada
muestra.
86
Tabla 33
Valores de densidad de las muestras de aceite.
N. de días Densidad
Sabrosón Girasol Vivi Soya
1 0.92 0.93 0.91
2 0.92 0.93 0.91
3 0.92 0.93 0.91
4 0.93 0.92 0.92
5 0.92 0.93 0.91
6 0.92 0.93 0.91
7 0.92 0.92 0.91
8 0.92 0.93 0.91
9 0.92 0.93 0.91
10 0.92 0.93 0.91
11 0.92 0.92 0.91
12 0.92 0.93 0.91
13 0.92 0.93 0.91
14 0.92 0.93 0.91
15 0.92 0.93 0.91
16 0.92 0.93 0.92
17 0.93 0.93 0.91
18 0.92 0.93 0.91
19 0.92 0.93 0.91
20 0.92 0.92 0.91
21 0.92 0.93 0.91
22 0.92 0.93 0.91
23 0.92 0.92 0.91
24 0.93 0.93 0.91
25 0.92 0.93 0.91
26 0.92 0.93 0.91
27 0.92 0.93 0.91
28 0.92 0.92 0.91
29 0.92 0.93 0.91
30 0.92 0.92 0.91
De los ensayos realizados en laboratorio se pudo notar que las muestras no
cambiaron significativamente de color como sucedió en el caso que se utilizó el
prototipo para calentamiento de muestras, esto debido a que los valores de
temperatura a los que permanecieron las muestras no superaron los 220°C, es decir
no se oxidaron.
87
Para determinar la densidad y viscosidad del aceite sabrosón que contiene aceite
de palma se consideró la siguiente gráfica para determinar la ecuación de relación de
densidad y viscosidad.
Figura 54. Relación Temperatura - densidad del aceite sabrosón
Fuente. Estudio de la viscosidad y densidad de diferentes aceites para su uso
como biocombustible.
𝑦 = −0.0007𝑥 + 0.9312
𝑦 = 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 (𝑔
𝑐𝑚3)
𝑥 = 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎(°𝐶)
Si la temperatura del aceite es 300 °C la densidad será:
𝑦 = −0.0007(300) + 0.9312
𝑦 = 𝜌 = 0.7212𝑔
𝑐𝑚3= 721.2
𝐾𝑔
𝑚3
y = -0,0007x + 0,9312
R² = 0,9998
0,700
0,750
0,800
0,850
0,900
0,950
0 50 100 150 200 250 300 350
DE
NS
IDA
D (
g/c
m3
)
TEMPERATURA (°C)
88
Figura 55. Relación 1/T versus viscosidad del aceite
Fuente . Estudio de la viscosidad y densidad de diferentes aceites para su uso
como biocombustible.
𝑦 = 0.0023𝑒3003.5𝑥
𝑃𝑎𝑟𝑎 300°𝐶 = 573.150°𝐾
𝑥 =1
573°𝐾= 0.001745
𝑦 = 0.0023𝑒3003.5(0.001745)
𝑦 = 𝑣𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑐𝑖𝑛𝑒𝑚𝑎𝑡𝑖𝑐𝑎 = 0.0023 ∗ 188.879 = 0.4344 𝑐𝑠𝑡
𝑣𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑐𝑖𝑛𝑒𝑚𝑎𝑡𝑖𝑐𝑎 =𝑣𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑖𝑛𝑎𝑚𝑖𝑐𝑎
𝜌
𝑣𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑖𝑛𝑎𝑚𝑖𝑐𝑎 = 𝑣𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑐𝑖𝑛𝑒𝑚𝑎𝑡𝑖𝑐𝑎 ∗ 𝜌
1 St = 100 cSt = 1 cm2/s = 0.0001 m2/s
𝑣𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑖𝑛𝑎𝑚𝑖𝑐𝑎 = 4.344𝑥10−7𝑚2
𝑠∗ 721.2
𝐾𝑔
𝑚3
𝑣𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑖𝑛𝑎𝑚𝑖𝑐𝑎 = 3.130𝑥10−4𝐾𝑔
𝑚 𝑠= 𝑃𝑎
y = 0,0023e3003,5x
R² = 1
0,00000
10,00000
20,00000
30,00000
40,00000
50,00000
60,00000
70,00000
0,001500 0,002000 0,002500 0,003000 0,003500 0,004000
Vis
cosi
da
d (
cst)
1/T (1/°K)
89
Tabla 34.
Densidad y viscosidad del aceite sabrosón proyectada.
T
ᵨ ᵨ v
°C °K 1/T cst g/cm3 K/m3 Pa
20 293.15 0.0034112 64.76 0.915 914.500 0.0592274
30 303.15 0.0032987 46.19 0.906 905.750 0.0418377
40 313.15 0.0031934 33.66 0.903 903.000 0.0303978
50 323.15 0.0030945 25.02 0.895 895.250 0.0223974
60 333.15 0.0030017 18.93 0.889 889.000 0.0168265
70 343.15 0.0029142 14.55 0.881 880.750 0.0128187
80 353.15 0.0028317 11.36 0.873 873.000 0.0099167
90 363.15 0.0027537 8.99 0.866 865.750 0.0077810
100 373.15 0.0026799 7.20 0.860 860.000 0.0061927
110 383.15 0.0026099 5.84 0.852 851.750 0.0049712
120 393.15 0.0025436 4.78 0.844 844.040 0.0040357
130 403.15 0.0024805 3.96 0.837 836.710 0.0033100
140 413.15 0.0024204 3.30 0.829 829.380 0.0027397
150 423.15 0.0023632 2.78 0.822 822.050 0.0022868
160 433.15 0.0023087 2.36 0.815 814.720 0.0019239
170 443.15 0.0022566 2.02 0.807 807.390 0.0016304
180 453.15 0.0022068 1.74 0.800 800.060 0.0013912
190 463.15 0.0021591 1.51 0.793 792.730 0.0011946
200 473.15 0.0021135 1.31 0.785 785.400 0.0010320
210 483.15 0.0020698 1.15 0.778 778.070 0.0008965
220 493.15 0.0020278 1.02 0.771 770.740 0.0007829
230 503.15 0.0019875 0.90 0.763 763.410 0.0006870
240 513.15 0.0019487 0.80 0.756 756.080 0.0006057
250 523.15 0.0019115 0.72 0.749 748.750 0.0005363
260 533.15 0.0018756 0.64 0.741 741.420 0.0004769
270 543.15 0.0018411 0.58 0.734 734.090 0.0004256
280 553.15 0.0018078 0.52 0.727 726.760 0.0003813
290 563.15 0.0017757 0.48 0.719 719.430 0.0003428
300 573.15 0.0017447 0.43 0.712 712.100 0.0003091
𝜇
90
CAPÍTULO 5
DIMENSIONAMIENTO DEL SISTEMA HIDRÁULICO
En el presente capítulo se presenta el cálculo del tanque de expansión y la
bomba del prototipo de una central solar de colectores cilíndrico-parabólicos. La
distribución de los colectores solares se presenta en el siguiente gráfico.
Figura 56. Prototipo de central termo solar, ubicado en la terraza del laboratorio de energías
renovables de la ESPE – Sangolquí.
91
Figura 57. Dimensiones y distribución de los 18 CCP del prototipo de central termo solar.
Como se observa, las dimensiones de los colectores cilindro parabólicos en el
campo solar son:
Ancho del colector: 150cm.
Separación entre colectores: 50 cm.
Separación entre filas desde el eje del colector: 290 cm.
Altura del piso al eje de rotación: 137cm
Separación del eje de rotación al eje focal: 30cm
Ancho de la parábola: 121cm
Longitud del arco de la parábola: 139cm.
Número de filas de colectores: 3 filas.
Número de colectores por fila: 6 unidades
Considerando las dimensiones descritas se procede a realizar los respectivos
cálculos del sistema hidráulico para el campo solar: bomba de recirculación y el
tanque de expansión.
92
5.1 BOMBA DE RECIRCULACIÓN
El fluido térmico circula a través de un conjunto de tuberías desde los tanques
de almacenamiento hasta ser distribuida por todos los lazos de colectores solares.
Para ello, es necesario disponer de un sistema de bombeo que impulse el fluido con
la presión requerida y que venza las pérdidas de carga de la instalación, además tiene
como objeto elevar la presión del fluido térmico que garantice en todo momento que
el fluido permanezca en estado líquido y no haya vaporización. En el caso de las
grandes centrales termosolares suele utilizarse una presión mínima, a la entrada a las
bombas, de al menos 11 bar, ya que la presión de vapor del fluido térmico HTF a
393°C (máxima temperatura de utilización) es 10,6 bar.
Una central termosolar utiliza varias bombas para el manejo del fluido térmico
(García, 2012)
Bombas principales.- Bomba que transporta el fluido caloportador.
Bombas de caldera auxiliar.- De menor presión y caudal que las bombas
principales, son las encargadas de hacer circular el fluido a través de bloques
de potencia y no del campo solar. Los equipos que deben atravesar, además
de las tuberías de conducción, son las calderas y los intercambiadores del tren
de generación de vapor, no atraviesan el campo solar.
Bombas de recirculación.- La única función que cumplen es mover el fluido
para evitar su congelación y homogenizar temperatura en el circuito,
especialmente en los arranques.
Bombas de circulación de tanques de expansión.- Bomba pequeñas
encargadas, encargadas de la circulación del fluido entre los tanques de
rebose y el tanque de expansión.
Bombas de trasiego.- Encarga de trasvasar el fluido térmico un tanque
reservorio o camión cisterna hasta el tanque de reposición.
Bombas del sistema de depuración.- Son las encargadas del retorno del fluido
térmico depurado desde el sistema de eliminación de productos de
degradación.
93
En este proyecto al tratarse de un prototipo de pocos colectores, se tiene
únicamente la bomba principal que es la encarga de mover el fluido durante el
funcionamiento normal de la central utilizando como aceite térmico al aceite
sabrosón.
Primero se calculó el flujo másico que circulara por el campo solar.
5.1.1 VELOCIDAD DEL FLUIDO, CAUDAL Y NÚMERO DE REYNOLDS
La velocidad asumida del fluido es de 2 m/s, con el valor de la velocidad, las
características del tubo receptor y la densidad del fluido, se puede obtener fácilmente
el caudal másico que circulará por cada uno de los colectores tan solo relacionando
los valores entre ellos. (Hernández, 2015)
𝑚𝑓 =𝜌𝑓(𝑇𝑓).𝜋.𝐷𝑖𝑛𝑡−𝑎𝑏𝑠
2 .𝑉𝑓
4 (2)
𝜌𝑓 𝑎 20°𝐶 =915 Kg/m3
𝑉𝑓 = 2m/s
𝐷𝑖𝑛𝑡−𝑎𝑏𝑠 = 0.032 m = 1 1/4” tubería principal
𝑚𝑓 =915
𝐾𝑔𝑚3 . 𝜋. (0.0254𝑚)2. 2
𝑚𝑠
4
𝑚𝑓 = 0.927 𝐾𝑔/𝑠
Para determinar el comportamiento del fluido, se calcula el número de Reynolds:
𝑅𝑒 =𝑣.𝜌.𝐷𝑖
𝜇
Donde:
𝑣 = 2𝑚
𝑠
𝜌 = 915𝐾𝑔
𝑚3
94
𝐷𝑖 = 0.0254𝑚𝑚
𝜇 𝑑𝑖𝑛𝑎𝑚𝑖𝑐𝑎 = 0.05923𝐾𝑔
𝑚𝑠 , de tabla de análisis de viscosidad, un fragmento de la
tabla se detalla a continuación.
Tabla 35
Variación de Re con diámetro de tubería de 0.0254 m (1”) de acuerdo a la
temperatura.
C
°C
K
1/K
µ
cSt
ę
g/cm3
ę
kg/m3
v
Pa Re
20 293.15 0.003411 64.76 0.915 914.5 0.059227 784.38
70 343.15 0.002914 14.55 0.881 880.75 0.012819 3490.38
300 573.15 0.001745 0.43 0.712 712.1 0.000309 117026.92
𝑅𝑒20°𝐶 =2
𝑚𝑠 ∗ 914.5
𝐾𝑔𝑚3 ∗ 0.0254𝑚
0.059227𝑘𝑔𝑚𝑠
𝑅𝑒20°𝐶 =46.5 𝐾𝑔/𝑚𝑠
0.059227𝐾𝑔𝑚𝑠
𝑅𝑒20 = 784 , Régimen laminar a 20°C.
𝑅𝑒300°𝐶 =2
𝑚𝑠 ∗ 712.1
𝐾𝑔𝑚3 ∗ 0.0254𝑚
0.000309𝑘𝑔𝑚𝑠
𝑅𝑒300°𝐶 =36.19 𝐾𝑔/𝑚𝑠
0.000309𝐾𝑔𝑚𝑠
𝑅𝑒300 = 11 7119 , Régimen turbulento a 300°C.
95
𝑅𝑒70°𝐶 =2
𝑚𝑠 ∗ 880.75
𝐾𝑔𝑚3 ∗ 0.0254𝑚
0.012819𝑘𝑔𝑚𝑠
𝑅𝑒70°𝐶 =44.74 𝐾𝑔/𝑚𝑠
0.012819𝐾𝑔𝑚𝑠
𝑅𝑒300 = 3490.30 , A 70°C comienza el régimen turbulento del aceite.
Tabla 36
Número de Reynolds para el aceite sabrosón para tubería de diámetro interno =
0.0254 m y 0.032 m a diferentes temperaturas.
T u p p v Re Re
C cSt g/cm3 kg/m3 Pa Ø 1” Ø 1 1/4”
20 64.76 0.915 914.5 0.05922739 784.38 988.19
50 25.02 0.895 895.25 0.02239744 2030.53 3381.34
60 18.93 0.889 889 0.01682649 2683.94 4397.33
70 14.55 0.881 880.75 0.01281896 3490.38 5634.14
80 11.36 0.873 873 0.00991669 4472.1 7120.96
90 8.99 0.866 865.75 0.00778098 5652.26 8887.87
100 7.2 0.86 860 0.00619271 7054.75 10965.6
110 5.84 0.852 851.75 0.00497118 8703.94 13385.22
120 4.78 0.844 844.04 0.00403569 10624.52 16177.94
130 3.96 0.837 836.71 0.00331003 12841.24 19374.79
140 3.3 0.829 829.38 0.00273966 15378.74 23006.42
150 2.78 0.822 822.05 0.0022868 18261.35 27102.93
160 2.36 0.815 814.72 0.00192385 21512.95 31693.59
170 2.02 0.807 807.39 0.00163039 25156.79 36806.75
180 1.74 0.8 800.06 0.00139115 29215.35 42469.63
190 1.51 0.793 792.37 0.00119461 33710.27 48708.23
200 1.31 0.785 785.4 0.00103197 38662.16 55547.21
210 1.15 0.778 778.07 0.00089647 44090.6 63009.8
220 1.02 0.771 770.74 0.00078285 50014.03 71117.71
230 0.9 0.763 763.41 0.00068701 56449.68 79891.13
240 0.8 0.756 756.08 0.00060569 64413.58 89348.64
250 0.72 0.749 748.75 0.00053633 70920.48 99507.22
260 0.64 0.741 741.42 0.00047686 78983.86 99507.22
270 0.58 0.734 734.09 0.00042563 87615.9 110382.24
280 0.52 0.727 726.76 0.00038129 96827.54 121987.45
290 0.48 0.719 719.43 0.00034275 106628.41 134335
300 0.43 0.712 712.1 0.00030911 117026.92 147435.5
96
Con la finalidad de determinar las pérdidas de carga para una sola temperatura de
trabajo se consideró una temperatura promedio de 150°C, con esta temperatura se
obtuvieron los valores de la tabla 36.
5.1.2 PÉRDIDAS DE CARGA EN ACCESORIOS, TUBERÍAS Y EN
INTERCAMBIADOR:
Para la determinación de las pérdidas de carga en accesorios, tuberías e
intercambiador, es necesario conocer el diagrama de instalación, y determinar el
número de accesorios y metros de tubería a utilizarse para la instalación del equipo.
Figura 58. Dimensiones del campo solar por tramos
PÉRDIDAS DE CARGA EN TUBERÍAS
Se calculó el factor de fricción de la tubería, utilizando el diagrama de Moody,
teniendo en cuenta el número de Reynolds y la rugosidad relativa representada por:
𝑅𝑢𝑔𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑟𝑒𝑙𝑎𝑡𝑖𝑣𝑎 =𝜀
𝐷 (3)
97
Los factores de fricción según tabla de Moody, para Reynolds a 150°C y con un
diámetro de tubería de 25.4 mm y 32mm son:
𝐷 = 25.4 𝑚𝑚
𝜀 = 0.045 𝑚𝑚
𝑅𝑢𝑔𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑟𝑒𝑙𝑎𝑡𝑖𝑣𝑎 =0.045 𝑚𝑚
25.4 𝑚𝑚= 0.0018
𝑅𝑒 = 18261.35
Utilizando el diagrama de Moody, el factor de fricción (f) para una tubería de
25.4 mm (1”) es: 0,03.
Factor de fricción f para tuberia de 25.4 mm del aceite sabroson a 150°C.
Figura 59. Diagrama de Moody: Factor de fricción f para tuberia de 25.4 mm a 150°C.
Fuente: (Diagramas de Moody, 2015)
98
Para una tubería de 32 mm diámetro interno en acero inoxidable, el factor de
fricción (f) es 0.029, como se observa en la gráfica:
𝐷 = 32 𝑚𝑚
𝜀 = 0.045 𝑚𝑚
𝑅𝑢𝑔𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑟𝑒𝑙𝑎𝑡𝑖𝑣𝑎 =0.045 𝑚𝑚
32 𝑚𝑚= 0.0014
𝑅𝑒 = 23006
Figura 60. Diagrama de Moody: Factor de fricción f para tubería de 32mm a temperatura de 150°C
Fuente: (Diagramas de Moody, 2015)
99
Tabla 37
Longitud total de tubería en el campo solar.
Tramo
Longitud
m
N
Tramos
Ø Interno
m
Longitud
total m
A-B 0.5 15 0.025 7.5
B-C 1.5 18 0.025 27
J-K 0.5 6 0.025 3
K-L 1.37 6 0.025 8.22
L-M 5.98 1 0.032 5.98
M-N 1.98 1 0.032 1.98
N-O 1.64 1 0.032 1.64
O-P 5.43 1 0.032 5.43
P-Q 0.55 1 0.032 0.55
R-S 1.34 1 0.032 1.34
S-T 0.68 1 0.032 0.68
T-U 1.67 1 0.032 1.67
V-W 0.48 1 0.032 0.48
W-X 1.33 1 0.032 1.33
X-Y 1.62 1 0.032 1.62
Y-Z 2.02 1 0.032 2.02
Z-Z* 5.98 1 0.032 5.98
TOTAL 32mm
30.7
TOTAL 25.4mm
45.72
Para cálculo de pérdidas de carga en tubería se aplica la siguiente ecuación:
(Hernández, 2015)
ℎ𝑓 = 𝑓 (𝐿
𝐷)
𝑉2
2𝑔 (4)
Donde:
ℎ𝑓 = Perdida de carga.
𝑓 = Factor de fricción.
𝐿 = Longitud de la tubería.
𝐷 = Diámetro de la tubería.
𝑉 = Velocidad del fluido.
𝑔 = Gravedad.
Para el tubo de 32 mm las pérdidas de carga en el campo solar son:
100
ℎ𝑓32𝑚𝑚 = 0.030 (30.70𝑚
0.032𝑚) ∗ (
(2𝑚
𝑠) 2
2∗9.8𝑚
𝑠2
)
ℎ𝑓32𝑚𝑚 = 28.78 ∗ 0.10𝑚
ℎ𝑓32𝑚𝑚 = 2.88 𝑚
Para el tubo de 25.4 mm las pérdidas de carga del circuito y de los colectores son:
ℎ𝑓25.4𝑚𝑚 = 0.030 (45.72𝑚
0.0254𝑚) ∗ (
(2𝑚
𝑠) 2
2∗9.8𝑚
𝑠2
)
ℎ𝑓32𝑚𝑚 = 54 ∗ 0.10𝑚
ℎ𝑓32𝑚𝑚 = 5.40 𝑚
El total de pérdidas de carga en el total de tubería del campo solar:
ℎ𝑓 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑒𝑛 𝑡𝑢𝑏𝑒𝑟𝑖𝑎 = ℎ𝑓32𝑚𝑚 + ℎ𝑓25𝑚𝑚
ℎ𝑓 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑒𝑛 𝑡𝑢𝑏𝑒𝑟𝑖𝑎 = 2.88𝑚 + 5.40𝑚
hf total en tuberia = 8.28 m
PÉRDIDAS DE CARGA EN ACCESORIOS
En las tablas y gráfico que se presenta a continuación se contabilizo el número de
accesorios y longitud de tubería de la planta.
101
Tabla 38
Número de accesorios utilizados en la planta.
Ø 25.4mm Ø 32mm
Tramo
N
Tramos Codos
Juntas
rotativas
Válvulas 1/2
vuelta Codos Tee
Válvulas
1/2 vuelta
A-B 15
B-C 18 36 36
J-K 6
K-L 6 12 12 6
L-M 1
2
M-N 1
1
N-O 1
1
O-P 1
1
P-Q 1
1
1
R-S 1
2
S-T 1
1
T-U 1
1
V-W 1
1
W-X 1
1
1
X-Y 1
1
Y-Z 1
1 1
Z-Z* 1
1 1
TOTAL
48 48 6 13 4 2
Las pérdidas singulares son las producidas por cualquier obstáculo colocado en la tubería
y que suponga una mayor o menor obstrucción al paso del flujo como son: entradas y salidas
de las tuberías, codos, válvulas, cambios de sección, etc. Normalmente son pequeñas
comparadas con las pérdidas lineales, salvo que se trate de válvulas muy cerradas. Para su
estimación se suele emplear la siguiente expresión (Pérdidas de carga, 2004):
ℎ𝑝𝑠 = ξ𝑉2
2𝑔= ξ (
8
𝑔𝜋2𝐷4) 𝑄2 (5)
Donde hps es la pérdida de carga en la singularidad, que se supone proporcional a la energía
cinética en valor promedio del flujo; la constante de proporcionalidad, ξ es el denominado
coeficiente de pérdidas singulares.
Existen nomogramas, como el presentado a continuación, que permiten estimar las
longitudes equivalentes para los casos de elementos singulares más comunes, en función del
diámetro de la tubería. En realidad, además del diámetro, la longitud equivalente depende del
102
coeficiente de fricción, pero éste no se suele contemplar en esos nomogramas, por lo que el
cálculo es sólo aproximado.
Figura 61. Nomogramas de la longitud equivalente de elementos singulares
Fuente: (Pérdidas de carga, 2004)
La línea roja en el nomograma representa las pérdidas de carga en codos, mientras que la
línea azul representa las pérdidas de carga en tee, y las líneas amarillas representan las
pérdidas de carga en las válvulas.
Posterior a la pérdidas de carga individuales, para los codos de 25.4 mm pérdidas de 0.8
m, en el caso de codos de 32 mm la perdidas corresponden a 0.9 m. Mientras que para las
tees, en caso de la tee de 25.4 mm las pérdidas son de 2.5 m, la tee de 32 mm tiene pérdidas
de 3.1 m. Finalmente para las pérdidas de carga de la válvulas de media vuelta se consideró
las mismas perdidas que una válvula de compuerta, es así que para la válvula de 25.4 mm la
perdida es de 0.25 m, mientras que para la válvula de 32 mm la perdidas de carga es de 0.37
m. Con los datos obtenidos, se realiza el cálculo de las pérdidas totales en el circuito.
103
Tabla 39
Perdidas de carga en accesorios.
Codos
de radio
pequeño
TEE
Válvulas
media
vuelta
Codos
de radio
pequeño
TEE
Válvulas
media
vuelta
Total de
pérdidas
en el
circuito
diámetro 25 mm 25
mm 25 mm 32 mm
32
mm 32 mm
total accesorios 12 0 6 13 4 2
perdidas por
accesorios 0.8 2.5 0.25 0.9 3.1 0.37
total perdidas por
accesorio 9.6 0 1.5 11.7 12.4 0.74 35.94
La pérdidas totales en accesorios es de 35.94 m, es decir, hps = 35.94 m.
PÉRDIDAS DE CARGA EN EL INTERCAMBIADOR
Para la determinación de las pérdidas de carga en el intercambiador se considera el número
de tubos, diámetro y longitud de cada uno de los tubos que forman parte del intercambiador
es así que:
Tabla 40
Longitud de tubería en el intercambiador.
N° tubos Diámetro
Mm
Longitud
m
longitud total
m
18 0.032 1.02 18.36
Para cálculo de pérdidas de carga en tubería del intercambiador, consideramos el factor
de fricción f=0.030 calculado anteriormente ara tubería de 32mm, la ecuación:
ℎ𝑓 = 𝑓 (𝐿
𝐷)
𝑉2
2𝑔
ℎ𝑓32𝑚𝑚 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑐𝑎𝑚𝑏𝑖𝑎𝑑𝑜𝑟 = 0.030 (18.36𝑚
0.032𝑚) ∗ (
(2𝑚
𝑠) 2
2∗9.8𝑚
𝑠2
)
ℎ𝑓32𝑚𝑚 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑐𝑎𝑚𝑏𝑖𝑎𝑑𝑜𝑟 = 17.21 ∗ 0.10𝑚
ℎ𝑓32𝑚𝑚 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑐𝑎𝑚𝑏𝑖𝑎𝑑𝑜𝑟 = 1.72 𝑚
104
Las pérdidas de carga en el intercambiador son de 1, 72 m.
PÉRDIDAS DE CARGA TOTALES
Las pérdidas de carga totales del circuito son iguales a la sumatoria de las pérdidas de carga
en tubería, perdidas de carga en accesorios, perdidas de carga en el intercambiador y por
supuesto las pérdidas de carga en los colectores solares las cuales se consideró como otro
tramo más de tubería, en este caso tramo A-B de 1.5 m.
ℎ𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = ℎ𝑓 𝑒𝑛 𝑡𝑢𝑏𝑒𝑟𝑖𝑎 𝑦 𝐶𝐶𝑃 + ℎ𝑝𝑠 + ℎ𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑐𝑎𝑚𝑏𝑖𝑎𝑑𝑜𝑟
ℎ𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 8.28𝑚 + 35.94𝑚 + 1.72𝑚
ℎ𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 45.94𝑚
Las pérdidas de carga en todo el circuito son de 45.94 m.
5.2 CÁLCULO BOMBA DE ALIMENTACIÓN:
Para el dimensionado de una bomba hidráulica los dos criterios a tomar en cuenta son el
caudal que debe impulsar y la presión que la bomba debe agregar al fluido, normalmente
expresada en metros de columna de agua (m.c.a.), que es la presión que ejerce un metro de
agua pura sobre una superficie y comúnmente conocido como altura H:
𝐻 (𝑚. 𝑐. 𝑎) = ℎ𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 45.94 𝑚𝑐𝑎 = 450 515.03 𝑃𝑎
Debido a que la presión de vapor del aceite térmico a la máxima temperatura de trabajo
en el sistema (en este caso a 300ºC del aceite sabrosón) es 12 psi, es menor que la presión
atmosférica 1 atm (14.70 psi), no es necesario presurizar el sistema para evitar vaporización.
Otro parámetro de diseño es el caudal volumétrico a impulsar, el cual hay que calcular a
partir del caudal másico y de la densidad del fluido. En el caso de este trabajo, el bombeo se
realiza cuando el aceite térmico está en su temperatura ambiente más baja, es decir, 20ºC
siendo su densidad 915 kg/m3. De la sección del cálculo de la velocidad del fluido, caudal y
número de Reynolds se determinó que el flujo másico es 1.47 Kg/s.
𝑄 (𝑚3
𝑠) =
𝑞𝑚 (𝐾𝑔
𝑠)
𝜌 (𝐾𝑔
𝑚3) (6)
105
𝑄 (𝑚3
𝑠) =
1.47 (𝐾𝑔
𝑠)
915 (𝐾𝑔
𝑚3)= 0.0016
𝑚3
𝑠
𝑄 (𝑚3
𝑠) = 0.0016
𝑚3
𝑠 .
3600𝑠
1ℎ= 5.78
𝑚3
ℎ
Con el caudal volumétrico y la presión que la bomba debe de suministrar al fluido se
calcula la potencia eléctrica que el conjunto (bomba y motor eléctrico) va a demandar
durante su funcionamiento:
𝑃𝑒(𝑊) =(∆𝑃(𝑃𝑎).𝑄(
𝑚3
𝑠))
𝑛𝑏.𝑛𝑒 (7)
Dónde:
𝑃𝑒(𝑊) 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 𝑞𝑢𝑒 𝑑𝑒𝑚𝑎𝑛𝑑𝑎 𝑒𝑙 𝑐𝑜𝑛𝑗𝑢𝑛𝑡𝑜 (𝑊)
𝑛𝑏 𝑅𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑚𝑒𝑐á𝑛𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎
𝑛𝑒 𝑅𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑒𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 𝑞𝑢𝑒 𝑖𝑚𝑝𝑢𝑙𝑠𝑎 𝑙𝑎 𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎
Se considera rendimiento del conjunto ηe* ηb sea igual a 0,75, valor muy común en la
industria, es decir que 75% de la potencia eléctrica que demanda el motor, es potencia
hidráulica que la bomba cede al fluido.
𝑃𝑒(𝑊) =450515.03𝑃𝑎∗0.0016 (
𝑚3
𝑠)
75%
𝑃𝑒(𝑊) = 961 𝑊
Para el presente trabajo, es necesario una bomba de 0.96 KW, que equivaldría a una
bomba de 1.5 Hp.
A continuación se realiza la selección de la bomba utilizando las curvas de rendimiento
de la bomba, considerando un H= 46 m.c.a y un Q= 6 m3/h, se realizó la selección de la
bomba de voluta para portadores térmicos hasta 350°C, marca Sterling ZTND 032160A
conforme lo indica la gráfica, este modelo es el que más se acerca a la potencia demandada.
La especificación técnica de la bomba se la presenta a continuación:
106
DATOS TÉCNICOS
Caudal: máx. 21 m³/h
Altura: máx. 70 m
Velocidad: máx. 3500 rpm
Temperatura: máx. 350 °C
Presión carcasa: PN 16
Cierre de eje: anillos radiales o cierre mecánico
Bridas de conexión: DIN EN 1092-2 PN 16 / 25
Sentido de giro: a derechas, visto desde el lado de accionamiento de la bomba
Figura 62. Selección de la bomba considerando la curva de rendimiento.
5.3 DIMENSIONAMIENTO DEL TANQUE DE EXPANSIÓN
Para el respectivo cálculo del tanque de expansión utilizando como aceite
térmico el aceite sabrosón, el cual presenta un mejor comportamiento en el proceso
107
de calentamiento, este aceite contiene una mezcla de aceite de soja y palma.
Consideramos los siguientes enunciados:
“La variación de volumen específico que experimenta el fluido térmico como
consecuencia de los constantes cambios de temperatura hace necesario la utilización
de un tanque de expansión que compense y absorba dicha diferencia de volumen.
Con esto se logra controlar de buena manera el golpe de ariete entre otros problemas.
De acuerdo a las especificaciones entregadas por el fabricante del aceite
VP1,Therminol, el tanque de expansión debe tener un tamaño tal que a la
temperatura media de operación (343°C para VP1) en el caso del aceite sabrosón se
consideró una temperatura de 300°C, el tanque de expansión se encuentre lleno en un
75%”. Según: Therminol Information Bulletin N°4: Heat Transfer System
Expansion Tank Design).
[𝑉 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝐻𝑇𝐹] 343°𝐶 = 𝑉𝑇𝑢𝑏𝑒𝑟𝑖𝑎 +3
4 . 𝑉𝑇𝐸 Para VP1, Therminol
[𝑉 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒 𝑠𝑎𝑏𝑟𝑜𝑠𝑜𝑛] 300°𝐶 = 𝑉𝑇𝑢𝑏𝑒𝑟𝑖𝑎 +3
4 . 𝑉𝑇𝐸 Para Aceite sabrosón
Donde V Tuberías, corresponde al volumen total de cañerías y campo de colectores,
y VTE el volumen total del tanque de expansión.
Existe, a su vez, otra importante consideración relacionada con el diseño del
tanque de expansión. A temperatura ambiente, el tanque de expansión debe estar un
25% lleno, de forma de asegurar una altura de succión mínima a la bomba de HTF,
es decir:
[𝑉𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝐻𝐹𝐻]12°𝐶 = 𝑉𝑇𝑢𝑏𝑒𝑟𝑖𝑎 +1
4 . 𝑉𝑇𝐸 Para VP1, Therminol
[𝑉𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒 𝑠𝑎𝑏𝑟𝑜𝑠ó𝑛]20°𝐶 = 𝑉𝑇𝑢𝑏𝑒𝑟𝑖𝑎 +1
4 . 𝑉𝑇𝐸 Para Aceite sabrosón
Considerando conservación de masa en ambos casos, se puede calcular el
volumen del tanque de expansión conociendo el volumen total de tuberías.
108
𝑉𝑇𝐸 =𝑉𝑇𝑢𝑏𝑒𝑟𝑖𝑎𝑠(𝜌12°𝐶−𝜌343°𝑐)
3
4 𝜌343°𝑐 −
1
4𝜌12°𝑐
Para VP1, Therminol
𝑉𝑇𝐸 =𝑉𝑇𝑢𝑏𝑒𝑟𝑖𝑎𝑠(𝜌20𝐶−𝜌300°𝑐)
3
4 𝜌300°𝑐 −
1
4𝜌20°𝑐
Para aceite sabrosón
Para el cálculo del tanque de expansión es necesario considerar la densidad
del aceite sabrosón a 20°C y a 300°C.
Tabla 41
Densidad del aceite sabrosón a 20°C y 300°C.
T
PRIMER MES DE
ENSAYOS
SEGUNDO MES
DE ENSAYOS PROMEDIO
Densidad Densidad
°C (g/cm3) (g/cm3)
20 0.914 0.915 0.915
300 0.747 0.677 0.712
Volumen del tanque de expansión:
𝑉𝑇𝐸 =𝑉𝑇𝑢𝑏𝑒𝑟𝑖𝑎𝑠(𝜌20°𝐶 − 𝜌300°𝑐)
34 𝜌300°𝑐 −
14 𝜌20°𝑐
𝑉𝑇𝑢𝑏𝑒𝑟𝑖𝑎𝑠 = 𝑉𝑐𝑎ñ𝑒𝑟𝑖𝑎𝑠 + 𝑉𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑐𝑎𝑚𝑏𝑖𝑎𝑑𝑜𝑟
𝑉𝑇𝑢𝑏 = (𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑡𝑢𝑏(𝑠𝑒𝑔ú𝑛 𝑡𝑎𝑏𝑙𝑎) +
𝐿𝑜𝑛𝑔 𝑡𝑢𝑏 𝑒𝑛 𝑐𝑜𝑙𝑒𝑐𝑡𝑜𝑟𝑒𝑠. 𝑟𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑐2 ). 𝜋
𝑉𝑇𝑢𝑏𝑒𝑟𝑖𝑎 = 0.0474 𝑚3 + (18.36𝑚) ∗ (0.0159𝑚)2. 𝜋
𝑉𝑇𝑢𝑏𝑒𝑟𝑖𝑎 = 0.0620 𝑚3
𝑉𝑇𝑢𝑏𝑒𝑟𝑖𝑎 = 62000 𝑐𝑚3
109
A continuación se presente en el gráfico y tabla, de la longitud total de tubería de
1” y 1 ¼” en el campo solar, como también los metros de tubo de 1 ¼” del
intercambiador de calor.
Tabla 42
Volumen de aceite en tuberías del campo solar.
Tramo
Longitud
m
N
Tramos
Ø Interno
m
Longitud
total m
Volumen del
aceite
A-B 0.5 15 0.025 7.5 0.00380
B-C 1.5 18 0.025 27 0.01367
J-K 0.5 6 0.025 3 0.00152
K-L 1.37 6 0.025 8.22 0.00416
L-M 5.98 1 0.032 5.98 0.00473
M-N 1.98 1 0.032 1.98 0.00157
N-O 1.64 1 0.032 1.64 0.00130
O-P 5.43 1 0.032 5.43 0.00430
P-Q 0.55 1 0.032 0.55 0.00044
R-S 1.34 1 0.032 1.34 0.00106
S-T 0.68 1 0.032 0.68 0.00054
T-U 1.67 1 0.032 1.67 0.00132
V-W 0.48 1 0.032 0.48 0.00038
W-X 1.33 1 0.032 1.33 0.00105
X-Y 1.62 1 0.032 1.62 0.00128
Y-Z 2.02 1 0.032 2.02 0.00160
Z-Z* 5.98 1 0.032 5.98 0.00473
TOTAL
76.42 0.0474
Para el cálculo tanque de expansión según formula anterior:
𝑉𝑇𝐸 =𝑉𝑇𝑢𝑏𝑒𝑟𝑖𝑎𝑠(𝜌20°𝐶 − 𝜌300°𝑐)
34 𝜌300°𝑐 −
14 𝜌20°𝑐
𝑉𝑇𝑢𝑏𝑒𝑟𝑖𝑎𝑠 = 𝑉𝑐𝑎ñ𝑒𝑟𝑖𝑎𝑠 + 𝑉𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑐𝑎𝑚𝑏𝑖𝑎𝑑𝑜𝑟
𝑉𝑇𝑢𝑏 = (𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑡𝑢𝑏(𝑠𝑒𝑔ú𝑛 𝑡𝑎𝑏𝑙𝑎) + 𝐿𝑜𝑛𝑔 𝑡𝑢𝑏 𝑒𝑛 𝑐𝑜𝑙𝑒𝑐𝑡𝑜𝑟𝑒𝑠. 𝑟𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑐2 ). 𝜋
110
𝑉𝑇𝑢𝑏𝑒𝑟𝑖𝑎 = 0.0474 𝑚3 + (18.36𝑚) ∗ (0.0159𝑚)2. 𝜋
𝑉𝑇𝑢𝑏𝑒𝑟𝑖𝑎 = 0.0620 𝑚3
𝑉𝑇𝑢𝑏𝑒𝑟𝑖𝑎 = 62000 𝑐𝑚3
Figura 63. Dimensiones del intercambiador de calor.
Fuente: (Vega, 2015)
El volumen del VTE es:
𝑉𝑇𝐸 =62000 𝑐𝑚3(0.915
𝑔
𝑐𝑚3−0.712𝑔
𝑐𝑚3)
3
4 0.712
𝑔
𝑐𝑚3 − 1
40.915
𝑔
𝑐𝑚3
𝑉𝑇𝐸 =62000 𝑐𝑚3(0.203
𝑔
𝑐𝑚3)
0.534𝑔
𝑐𝑚3 − 0.229𝑔
𝑐𝑚3
111
𝑉𝑇𝐸 =12586𝑔
0.305𝑔
𝑐𝑚3
𝑉𝑇𝐸 = 41266 𝑐𝑚3 = 0.041266 𝑚3
Considerando el volumen del tanque de expansión 41266 cm3, se procede el
dimensionamiento del tanque, para lo cual se asume el diámetro del cilindro de 40
cm, con la finalidad de obtener un cilindro proporcional:
𝐷 𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 𝑒𝑥𝑝𝑎𝑛𝑠𝑖ó𝑛 = 30 𝑐𝑚
𝑉𝑇𝐸 = 41266 𝑐𝑚3
Con estos datos procedemos al cálculo de la altura del tanque de expansión.
𝑉𝑇𝐸 = 𝜋. 𝑟2. ℎ
ℎ =𝑉𝑇𝐸
𝜋. 𝑟2
ℎ =41266 𝑐𝑚3
𝜋. (15𝑐𝑚)2
ℎ = 58 𝑐𝑚 = 0.58𝑚
Figura 64. Dimensiones de tanque de expansión.
112
CAPÍTULO 6
ANÁLISIS ECONÓMICO DE COSTOS DE LA
INVESTIGACIÓN
6.1 CONSTRUCCIÓN DE PROTOTIPO PARA CALENTAMIENTO DE
MUESTRAS
En la tabla 6.1 se presenta los costos del prototipo de calentamiento de muestras.
Tabla 43
Costos de fabricación del prototipo para calentamiento de muestras
N° Descripción Cantidad Valor Unitario
USD
Valor Total
USD
1 Cilindro capacidad 1 litro en acero
inoxidable 1 $ 500,00 $ 500,00
2 Mano de Obra n/a $ 200,00 $ 200,00
SUBTOTAL 1 $ 700,00
El cilindro en acero inoxidable de 1 litro de capacidad, cuenta en la parte superior
con un orificio para el llenado del aceite a calentar, y en la parte inferior cuenta con
una válvula de drenaje para poder vaciar el aceite utilizado.
113
Figura 65.Cilindro para calentamiento de muestras de aceite
6.1.1 SISTEMA DE MEDICIÓN Y AUXILIARES
Al cilindro para calentamiento de muestras es necesario instalar medidores de
presión y temperatura además de envases para el llenado y vaciado de las muestras.
En la Tabla 6.2 se presentan estos valores
Tabla 44
Costos de implementación de equipos
N° Descripción Cantidad Valor Unitario
USD
Valor Total
USD
1 Manómetro de 0 a 100 psi 1 $ 20,00 $ 20,00
2 Termocupla tipo J 1 $ 20,00 $ 20,00
3 Medidor de temperatura digital 1 $ 100,00 $ 100,00
4 Mechero bunsen 2 $ 50,00 $ 100,00
5 Trípode 1 $ 30,00 $ 30,00
6 Malla de amianto 1 $ 20,00 $ 20,00
7 Mano de Obra n/a $ 150,00 $ 150,00
SUBTOTAL 2 $ 440,00
Manómetro
114
Termocupla tipo J
Medidor de temperatura digital
Mechero bunsen
Trípode
Malla de amianto
6.2 COSTOS DE LOS ENSAYOS EXPERIMENTALES
Se debe considerar los siguientes rubros.
Tabla 45
Costos de ensayos experimentales
N° Descripción Cantidad Valor Unitario
USD
Valor Total
USD
1 Ayudante de investigación 1 $ 700,00 $ 700,00
2 Aceites comestibles, presentación de
1 litro 10 $ 2,50 $ 25,00
3 Gas GLP 1 $ 1,60 $ 1,60
4 Probeta capacidad de 500 ml de
capacidad 2 $ 15,00 $ 30,00
5
6
Erlenmeyer de 500ml
Investigador 1
4
1
$ 15,00
$ 1500,00
$ 60,00
$ 1500,00
SUBTOTAL 3 $ 2316,60
El ayudante de investigación colaboró por dos meses de lunes a viernes por
ocho horas diarias.
Los aceites comestibles, son los utilizados para el consumo de personas, se lo
encuentra en cualquier tienda del país.
El gas corresponde a la bombona de GLP que se utiliza para uso doméstico.
Las probetas utilizadas para medir la muestra y para depositar en el prototipo
calentador.
Erlenmeyer utilizado para colocar la muestra caliente y dejarla hasta que se
encuentre a temperatura ambiente nuevamente.
115
6.3 COSTOS DE LOS ENSAYOS EN LABORATORIO
Corresponden a los costos generados por los ensayos realizados en laboratorio.
Tabla 46
Costos de ensayos en laboratorio
N° Descripción Cantidad Valor Unitario
USD
Valor Total
USD
1 Ayudante de investigación 1 $ 700,00 $ 700,00
2 Aceites comestibles, presentación de
1 litro 10 $ 25,00 $ 25,00
3 Energía eléctrica n/a $ 0,00 $ 0,00
4 Probeta capacidad de 250 ml de
capacidad 1 $ 10,00 $ 10,00
5 Termómetro de mercurio de -20 a
360°C 1 $ 8,00 $ 8,00
6 Termo higrómetro n/a $ 0,00 $ 0,00
7 Calentador con agitador magnético n/a $ 0,00 $ 0,00
8 Balanza electrónica n/a $ 0,00 $ 0,00
9 Erlenmeyer de 500ml 4 $ 15,00 $ 60,00
10
11
Tapones de caucho
Investigador 2
4
1
$ 2,50
$ 1500,00
$ 10,00
$ 1500,00
SUBTOTAL 4 $ 2313,00
El ayudante de investigación colaboró por un mes de lunes a viernes por ocho
horas diarias.
Los aceites comestibles, son los utilizados para el consumo de personas, se lo
encuentra en cualquier tienda del país.
La energía eléctrica, el termo higrómetro, el calentador con agitador
magnético y la balanza electrónica no generan costo debido a la gestión
realizada con el Laboratorio de Aviforte Cía. Ltda., fueron prestados durante
el tiempo previsto para la realización de estos ensayos.
La probeta fue utilizada para medir la densidad de las muestras.
El termómetro de mercurio con capacidad de -20 a 360°C con divisiones de
dos grados es empleado para medir la temperatura a la cual se está calentado
la muestra.
116
Erlenmeyer de 500ml utilizados para colocar las muestras de aceite en el
calentador con agitador magnético, para posteriormente dejarlos enfriar hasta
temperatura ambiente.
Los tapones de caucho utilizados para colocar el termómetro.
6.4 COSTOS VARIOS
Para estimar estos valores se debe considerar los rubros presentados en la siguiente
tabla.
Tabla 47
Costos varios
N° Descripción Cantidad Valor Unitario
USD
Valor Total
USD
1 Transporte de equipos 1 $ 80,00 $ 80,00
2 Movilización Investigadores 1 $ 300,00 $ 300,00
3 Materiales de Oficina 1 $ 200,00 $ 200,00
4 Adquisición de material didáctico 6 - $ 650,00
SUBTOTAL 5 $ 1230,00
En la siguiente tabla se presenta un resumen de todos los costos generados en esta
investigación.
Tabla 48
Costos totales de la investigación
N° Descripción Valor Total
USD
1 Subtotal 1 $ 700,00
2 Subtotal 2 $ 440,00
3 Subtotal 3 $ 2316,60
4 Subtotal 4 $ 2313,00
5 Subtotal 5 $ 1230,00
TOTAL $ 6999,60
117
Por lo tanto, el costo total de la investigación para el desarrollo de la investigación
“Estudio y selección de un fluido térmico para aplicaciones de la energía solar de
media temperatura con concentradores parabólicos”, representa la suma de USD $
6.999,60 (seis mil novecientos noventa y nueve con 60/100 dólares).
118
CAPÍTULO 7
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
7.1 CONCLUSIONES
De los fluidos térmicos estudiados y utilizados en las plantas termosolares
con concentradores cilindro parabólicos que actualmente se encuentran en
funcionamiento de forma comercial, los más utilizados son los aceites
sintéticos Therminol VP-1 y DowthermA, los cuales pueden trabajar a
temperaturas muy cercanas a los 400°C, sin embargo para este proyecto de
investigación que comprende un prototipo de 18 colectores cilindro
parabólicos, con temperatura de fluido en la salida del campo solar de hasta
250°C, la mejor opción por costos y disponibilidad es el aceite mineral para
transferencia de calor como el Shell Thermia B, ya que este funciona de
forma adecuada y probada en calderos de fluido térmico hasta temperaturas
de 280°C.
De los ensayos realizados con tres aceites vegetales ( aceite de Girasol, aceite
Vivi Soya y aceite Sabrosón); y un aceite sintético (Tegra iso 68). En dos
pruebas diferentes, una en circuito cerrado y otra en circuito abierto, se
determina que la mejor alternativa es el aceite “Sabrosón” que es una mezcla
de aceite de palma y oleína de palma, debido a que presenta mejores
condiciones térmicas luego de dos meses de calentamientos diarios, a
temperaturas promedio de 300°C y con presiones promedio de 12psi. Los
otros dos aceites comestibles aceite de girasol y de soya presentan presiones
de 13 y 19 psi respectivamente a temperatura de 300°C, el aceite sintético
analizado presenta presiones de 27psi a temperatura de 318°C.
Cabe mencionar que la utilización de estos aceites comestibles provocan
mínima contaminación ambiental frente a los aceites minerales y sintéticos.
119
El aceite “sabrosón”, presenta un flujo laminar al ser movido por la bomba a
temperatura ambiente (20°C), mientras que a los 70°C el flujo comienza a
cambiar de laminar a turbulento manteniéndose de esta manera hasta los
300°C. La bomba que se calculó para la recirculación del fluido, es de
potencia 1,25HP de características similares a la de marca Sterling ZTND
cuyas características son: caudal máximo 21 m³/h, altura: máxima 70 m,
velocidad: máxima 3500 rpm, temperatura: máxima 350°C, presión carcasa:
PN 16, cierre de eje: anillos radiales o cierre mecánico y bridas de conexión:
DIN EN 1092-2 PN 16 / 25.
El tanque de expansión diseñado tiene un volumen aproximado de 11
galones, el mismo fue obtenido luego de calcular el volumen ocupado en
todas las tuberías del sistema incluido el intercambiador de calor. De este
volumen el 25% de su capacidad debe estar ocupado con el aceite cuando se
encuentra a temperatura ambiente para garantizar el nivel mínimo de
operación, al aumentar la temperatura la densidad disminuye y por lo tanto el
volumen del fluido aumenta, este aumento debe llegar máximo hasta el 75%
del volumen del tanque. Cuando el aceite se enfría se produce el efecto
inverso hasta alcanzar las condiciones iniciales. La presión mínima de diseño
debe ser 2 bares (29psi), y se prefiere del tipo vertical para que tenga menor
área de contacto con el aire. El tanque de expansión es el encargado de dar
succión positiva a la bomba de recirculación y adicionalmente de mantener
todo el sistema ligeramente presurizado, garantizando una operación segura y
confiable del sistema del fluido.
7.2 RECOMENDACIONES
La bomba de circulación debe ser una bomba de caudal, para mover grandes
volúmenes, diseñada de tal forma que sea capaz de producir flujo turbulento a
lo largo de los colectores cilindro parabólicos, para esto es necesario que la
velocidad superficial se encuentre entre 2 y 3 metros por segundo (m/s), es
por este motivo que en este proyecto se realizaron los cálculos con velocidad
120
de 2m/s. Esta bomba debe trabajar a alta temperatura, promedio de 300°C, su
construcción es de acero al carbono y el sello mecánico debe tener
enfriamiento.
El tanque de expansión debe estar ubicado de 2 a 4 metros sobre la tubería
más alta de la instalación para garantizar una operación confiable del sistema,
además es importante considerar colocar un muro de contención o una fosa
alrededor del tanque de expansión, para contener el fluido en caso de un
derrame o fuga, el volumen de este muro o fosa debe ser ligeramente superior
al volumen del fluido cuando se encuentra caliente debido a que en estas
condiciones el volumen es mayor; de esta manera se está protegiendo la
integridad de las personas, de los materiales, otros equipos y finalmente se
minimiza el impacto ambiental.
A manera de trabajos futuros sobre este proyecto, se puede mencionar los
ensayos con otros tipos de fluidos, ya sean aceites vegetales residuales,
aceites minerales o sintéticos que hayan sido desechados. Además se pueden
realizar pruebas en el prototipo de colectores cilindro parabólicos para
determinar temperaturas reales de entrada y salida del sistema con los fluidos
investigados. También es posible cambiar la configuración del sistema de
colectores de paralelo a serie y determinar temperaturas de tal forma que se
logre mejorar la eficiencia de todo el conjunto.
121
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124
ANEXOS
125
ANEXO 1
126
127
128
129
ANEXO 2
130
131
132
133
ANEXO 3
134
135
ANEXO 4
136
137
138
139
140
ANEXO 5
141
142
ANEXO 6
143
144
ANEXO 7
145